WO2023112391A1 - 超電導線材接続構造 - Google Patents

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WO2023112391A1
WO2023112391A1 PCT/JP2022/031395 JP2022031395W WO2023112391A1 WO 2023112391 A1 WO2023112391 A1 WO 2023112391A1 JP 2022031395 W JP2022031395 W JP 2022031395W WO 2023112391 A1 WO2023112391 A1 WO 2023112391A1
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WO
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layer
superconducting
superconducting wire
holding member
connection structure
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Application number
PCT/JP2022/031395
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English (en)
French (fr)
Inventor
康太郎 大木
Original Assignee
住友電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • 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
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/68—Connections to or between superconductive connectors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 disclosure relates to a superconducting wire connection structure.
  • This application claims priority from Japanese Patent Application No. 2021-203579 filed on December 15, 2021. All the contents described in the Japanese patent application are incorporated herein by reference.
  • Patent Document 1 describes a superconducting wire connecting structure.
  • the superconducting wire connection structure described in Patent Document 1 includes a first superconducting wire, a second superconducting wire, and a bonding layer.
  • Each of the first superconducting wire and the second superconducting wire has a metal substrate, an intermediate layer, and a superconducting layer.
  • the intermediate layer is arranged on the metal substrate.
  • a superconducting layer is disposed on the intermediate layer.
  • the first superconducting wire has a first end in the longitudinal direction of the first superconducting wire.
  • the second superconducting wire has a second end in the longitudinal direction of the second superconducting wire.
  • the superconducting layer at the first end and the superconducting layer at the second end are superconductively joined with a joining layer interposed therebetween.
  • the superconducting wire connection structure of the present disclosure includes a first superconducting wire and a second superconducting wire.
  • the first superconducting wire has a first end in the longitudinal direction of the first superconducting wire.
  • the second superconducting wire has a second end in the longitudinal direction of the second superconducting wire.
  • Each of the first superconducting wire and the second superconducting wire has a substrate, an intermediate layer disposed on the substrate, and a superconducting layer disposed on the intermediate layer.
  • a connecting portion which is a portion of the superconducting wire connection structure where the superconducting layer at the first end and the superconducting layer at the second end are connected, has a first clamping member and a second clamping member.
  • the superconducting layer at the first end and the superconducting layer at the second end are sandwiched between a first sandwiching member and a second sandwiching member.
  • the thickness of the connecting portion is 2 mm or less.
  • the coefficient of thermal expansion of the first holding member and the coefficient of thermal expansion of the second holding member are 0.95 times or more and 1.05 times or less of the coefficient of thermal expansion of the substrate.
  • FIG. 1 is a plan view of a superconducting wire connection structure 100.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view along II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along III-III in FIG.
  • FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the superconducting wire connecting structure 100 .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a superconducting wire connection structure 100 according to a second modification.
  • FIG. 6 is a plan view of a superconducting wire connection structure 100 according to a third modification.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view along VII-VII in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a superconducting wire connection structure 100 according to a fourth modification.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a superconducting wire connection structure 100 according to a fifth modification.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a superconducting wire connection structure 100 according to
  • the present disclosure has been made in view of the above problems. More specifically, the present disclosure provides a superconducting wire connecting structure capable of improving heat dissipation in the connecting portion while preventing breakage in the connecting portion.
  • a superconducting wire connection structure includes a first superconducting wire and a second superconducting wire.
  • the first superconducting wire has a first end in the longitudinal direction of the first superconducting wire.
  • the second superconducting wire has a second end in the longitudinal direction of the second superconducting wire.
  • Each of the first superconducting wire and the second superconducting wire has a substrate, an intermediate layer disposed on the substrate, and a superconducting layer disposed on the intermediate layer.
  • a connecting portion which is a portion of the superconducting wire connection structure where the superconducting layer at the first end and the superconducting layer at the second end are connected, has a first clamping member and a second clamping member.
  • the superconducting layer at the first end and the superconducting layer at the second end are sandwiched between a first sandwiching member and a second sandwiching member.
  • the thickness of the connecting portion is 2 mm or less.
  • the coefficient of thermal expansion of the first holding member and the coefficient of thermal expansion of the second holding member are 0.95 times or more and 1.05 times or less of the coefficient of thermal expansion of the substrate.
  • the connecting portion may further have a cover member.
  • the first holding member and the second holding member may be covered with a cover member.
  • the thermal expansion coefficient of the cover member may be 0.95 times or more and 1.05 times or less that of the base material.
  • the superconducting wire connection structure of (2) above may further include a third superconducting wire.
  • the third superconducting wire may have a substrate, an intermediate layer, and a superconducting layer.
  • the superconducting layer of the third superconducting wire may be arranged facing the superconducting layer at the first end and the superconducting layer at the second end.
  • the first holding member and the second holding member may hold the first end, the second end and the third superconducting wire.
  • the thermal conductivity of the first clamping member, the thermal conductivity of the second clamping member, and the thermal conductivity of the cover member are 0.1 ⁇ 10 2 . It may be W/m ⁇ ° C. or higher.
  • the thickness of the first clamping member and the thickness of the second clamping member may be 0.2 mm or less.
  • the thermal resistance of the connecting portion may be 16°C/W or more.
  • the c-axis direction of the crystal grains of the oxide superconductor forming the superconducting layer may be along the thickness direction of the superconducting layer.
  • a current density of 50 A/mm 2 or less in the c-axis direction of the superconducting layer in the connecting portion when a current of 200 A is flowing through the superconducting wire connecting structure may be 50 A/mm 2 or less.
  • a superconducting wire connection structure according to an embodiment will be described below.
  • a superconducting wire connection structure according to the embodiment is referred to as a superconducting wire connection structure 100 .
  • FIG. 1 is a plan view of a superconducting wire connection structure 100.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view along II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along III-III in FIG.
  • the superconducting wire connection structure 100 has a first superconducting wire 10 and a second superconducting wire 20 .
  • the first superconducting wire 10 has a base material 11 , an intermediate layer 12 , a superconducting layer 13 , a protective layer 14 and a stabilizing layer 15 .
  • the base material 11 is, for example, a tape made of stainless steel.
  • the substrate 11 is clad with a copper layer 11a and a nickel layer 11b.
  • the copper layer 11a is arranged on the substrate 11, and the nickel layer 11b is arranged on the copper layer 11a.
  • the copper layer 11a and the nickel layer 11b are crystal-oriented.
  • the base material 11 is not limited to this.
  • the base material 11 may be made of Hastelloy (registered trademark). When the substrate 11 is made of Hastelloy, the copper layer 11a and the nickel layer 11b are not clad.
  • the intermediate layer 12 is arranged on the substrate 11 .
  • the base material 11 is a tape made of stainless steel
  • a copper layer 11 a and a nickel layer 11 b are interposed between the intermediate layer 12 and the base material 11 .
  • the intermediate layer 12 is configured by, for example, sequentially laminating a layer of stabilized zirconia (YSZ), a layer of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and a layer of cerium oxide (CeO 2 ).
  • YSZ stabilized zirconia
  • Y 2 O 3 yttrium oxide
  • CeO 2 cerium oxide
  • the intermediate layer 12 is formed by magnetron sputtering, for example.
  • the substrate 11 is made of Hastelloy or the like
  • the intermediate layer 12 with crystal orientation is formed by, for example, IBAD (Ion Beam Assisted Deposition).
  • a superconducting layer 13 is arranged on the intermediate layer 12 .
  • the superconducting layer 13 is made of REBCO.
  • REBCO is REBaCu 3 O y
  • RE is a rare earth element. Examples of rare earth elements include yttrium (Y), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), eurobium (Eu), gadolinium (Gd), holmium (Ho), and ytterbium (Yb).
  • the superconducting layer 13 is formed by PLD (Pulsed Laser Deposition), for example.
  • the superconducting layer 13 may be formed by MOD (Metal Organic Deposition).
  • the superconducting layer 13 thereon is also crystal-oriented. More specifically, the c-axes of REBCO crystal grains forming superconducting layer 13 extend along the thickness direction of superconducting layer 13 .
  • the protective layer 14 is arranged on the superconducting layer 13 .
  • the protective layer 14 is made of silver (Ag).
  • Protective layer 14 may be formed of a silver alloy.
  • the protective layer 14 is formed by sputtering, for example.
  • the stabilizing layer 15 is arranged on the protective layer 14 .
  • the stabilizing layer 15 is also on the surface of the substrate 11 opposite to the intermediate layer 12, on the side of the substrate 11, on the side of the intermediate layer 12, on the side of the superconducting layer 13 and also on the side of the protective layer 14. are placed.
  • the stabilization layer 15 is made of copper.
  • the stabilization layer 15 may be made of a copper alloy.
  • the stabilization layer 15 is formed by plating, for example.
  • the first superconducting wire 10 has a first end 10a.
  • the first end 10a is the end of the first superconducting wire 10 in the longitudinal direction.
  • the protective layer 14 and the stabilization layer 15 are removed. That is, the superconducting layer 13 is exposed at the first end portion 10a.
  • the second superconducting wire 20 has a base material 21 , an intermediate layer 22 , a superconducting layer 23 , a protective layer 24 and a stabilizing layer 25 .
  • the base material 21 is, for example, a tape made of stainless steel.
  • the substrate 21 is clad with a copper layer 21a and a nickel layer 21b.
  • a copper layer 21a is disposed on the substrate 21, and a nickel layer 21b is disposed on the copper layer 21a.
  • the copper layer 21a and the nickel layer 21b are crystal-oriented.
  • the base material 21 is not limited to this.
  • the base material 21 may be made of Hastelloy. When the substrate 21 is made of Hastelloy, the copper layer 21a and the nickel layer 21b are not clad.
  • the intermediate layer 22 is arranged on the base material 21 .
  • the base material 21 is a tape made of stainless steel
  • a copper layer 21 a and a nickel layer 21 b are interposed between the intermediate layer 22 and the base material 21 .
  • the intermediate layer 22 is formed, for example, by sequentially laminating a stabilized zirconia layer, an yttrium oxide layer, and a cerium oxide layer.
  • the intermediate layer 22 thereon is also crystalline.
  • the intermediate layer 22 is formed by magnetron sputtering, for example.
  • the substrate 21 is made of Hastelloy or the like
  • the intermediate layer 22 having crystal orientation is formed by, for example, IBAD.
  • the superconducting layer 23 is arranged on the intermediate layer 22 .
  • the superconducting layer 23 is made of REBCO.
  • the superconducting layer 23 is formed by PLD, for example.
  • the superconducting layer 23 may be formed by MOD. Since the intermediate layer 22 is crystal-oriented as described above, the superconducting layer 23 thereon is also crystal-oriented. More specifically, the c-axis direction of the REBCO crystal grains forming the superconducting layer 23 is along the thickness direction of the superconducting layer 23 .
  • the protective layer 24 is arranged on the superconducting layer 23 .
  • the protective layer 24 is made of silver.
  • Protective layer 24 may be formed of a silver alloy.
  • the protective layer 24 is formed by sputtering, for example.
  • the stabilizing layer 25 is arranged on the protective layer 24 .
  • the stabilizing layer 25 is also on the surface of the substrate 21 opposite the intermediate layer 22, on the side of the substrate 21, on the side of the intermediate layer 22, on the side of the superconducting layer 23 and also on the side of the protective layer 24. are placed.
  • the stabilization layer 25 is made of copper.
  • the stabilization layer 25 may be made of a copper alloy.
  • the stabilization layer 25 is formed by plating, for example.
  • the second superconducting wire 20 has a second end 20a.
  • the second end 20a is the end of the second superconducting wire 20 in the longitudinal direction.
  • the protective layer 24 and the stabilizing layer 25 are removed. That is, the superconducting layer 23 is exposed at the second end 20a.
  • the first superconducting wire 10 and the second superconducting wire 20 are arranged, for example, such that the first end 10a and the second end 20a are adjacent to each other.
  • the superconducting layer 13 at the first end 10a is connected to the superconducting layer 23 at the second end 20a. This connection is made using, for example, the third superconducting wire 30 and the bonding layer 40 .
  • the third superconducting wire 30 has a base material 31 , an intermediate layer 32 and a superconducting layer 33 .
  • the base material 31 is, for example, a tape made of stainless steel.
  • the substrate 31 is clad with a copper layer 31a and a nickel layer 31b.
  • a copper layer 31a is disposed on the substrate 31, and a nickel layer 31b is disposed on the copper layer 31a.
  • the copper layer 31a and the nickel layer 31b are crystal-oriented.
  • the base material 31 is not limited to this.
  • the base material 31 may be made of Hastelloy. When the substrate 31 is made of Hastelloy, the copper layer 31a and the nickel layer 31b are not clad.
  • the intermediate layer 32 is arranged on the base material 31 .
  • the base material 31 is a tape made of stainless steel
  • a copper layer 31 a and a nickel layer 31 b are interposed between the intermediate layer 32 and the base material 31 .
  • the intermediate layer 32 is formed, for example, by sequentially laminating a stabilized zirconia layer, an yttrium oxide layer, and a cerium oxide layer.
  • the intermediate layer 32 thereon is also crystalline.
  • the intermediate layer 32 is formed by magnetron sputtering, for example.
  • the substrate 31 is made of Hastelloy or the like
  • the intermediate layer 32 with crystal orientation is formed by, for example, IBAD.
  • the superconducting layer 33 is arranged on the intermediate layer 32 .
  • the superconducting layer 33 is made of REBCO.
  • the superconducting layer 33 is formed by PLD, for example.
  • the superconducting layer 33 may be formed by MOD. Since the intermediate layer 32 is crystal-oriented as described above, the superconducting layer 33 thereon is also crystal-oriented. More specifically, the c-axis direction of the REBCO crystal grains forming the superconducting layer 33 is along the thickness direction of the superconducting layer 33 .
  • the third superconducting wire 30 is arranged so that the superconducting layer 33 faces the superconducting layer 13 at the first end 10a and the superconducting layer 23 at the second end 20a.
  • the bonding layer 40 is arranged between the superconducting layer 33 and the superconducting layer 13 at the first end 10a and the superconducting layer 23 at the second end 20a.
  • the bonding layer 40 is made of REBCO.
  • the c-axis direction of the REBCO crystal grains forming the bonding layer 40 is aligned with the c-axis direction of the REBCO crystal grains forming the superconducting layer 13 at the first end 10a, and the superconducting layer 23 at the second end 20a. It is along the c-axis direction of REBCO forming the superconducting layer 33 and the c-axis direction of REBCO forming the superconducting layer 33 . Therefore, the superconducting layer 13 at the first end portion 10 a and the superconducting layer 23 at the second end portion 20 a are superconductively joined by the third superconducting wire 30 (superconducting layer 33 ) and the joining layer 40 .
  • the portion of the superconducting wire connecting structure 100 where the superconducting layer 13 at the first end 10a and the superconducting layer 23 at the second end 20a are connected is referred to as a connecting portion 50 .
  • the connecting portion 50 has a first holding member 51 , a second holding member 52 , and a cover member 53 . Note that the connecting portion 50 may not have the cover member 53 . Also, the connecting portion 50 may have the bonding layer 40 .
  • the first holding member 51 and the second holding member 52 are sheet-shaped members.
  • the first sandwiching member 51 and the second sandwiching member 52 sandwich the superconducting layer 13 at the first end 10 a and the superconducting layer 23 at the second end 20 a and the third superconducting wire 30 .
  • the first holding member 51 and the second holding member 52 are fixed to each other, for example, by welding.
  • the first clamping member 51 and the second clamping member 52 may be fixed together by soldering.
  • the cover member 53 is a sheet-like member.
  • the cover member 53 covers the first holding member 51 and the second holding member 52 . More specifically, the cover member 53 has a first portion 53a and a second portion 53b.
  • the cover member 53 is folded back so that the first portion 53a and the second portion 53b face each other.
  • a first holding member 51 and a second holding member 52 are arranged between the first portion 53a and the second portion 53b.
  • the first portion 53a is fixed to the second portion 53b by soldering, for example. Thereby, the inside of the cover member 53 is sealed.
  • thickness T be the thickness at the connection portion 50 .
  • the thickness T is 2 mm or less.
  • the thickness T may be 1.8 mm or less or 1.5 mm or less.
  • the thickness T is, for example, 60 ⁇ m or more or 100 ⁇ m or more.
  • the coefficient of thermal expansion of the first holding member 51, the coefficient of thermal expansion of the second holding member 52, and the coefficient of thermal expansion of the cover member 53 are the coefficients of thermal expansion of the base material 11, the coefficient of thermal expansion of the base material 21, and the coefficient of thermal expansion of the base material 31. It is 0.95 times or more and 1.05 times or less of the expansion rate.
  • the constituent material of the first holding member 51 , the constituent material of the second holding member 52 , and the constituent material of the cover member 53 are preferably the same as the constituent materials of the base material 11 , the base material 21 , and the base material 31 .
  • a first superconducting wire 10 a second superconducting wire 20, a third superconducting wire 30, a bonding layer 40, a first clamping member 51, a second clamping member 52, and a cover member 53 are laminated.
  • Thickness T is the maximum thickness of the part.
  • the thickness of the first holding member 51, the thickness of the second holding member 52, and the thickness of the cover member 53 are preferably 0.2 mm or less.
  • the thickness of the first holding member 51, the thickness of the second holding member 52, and the thickness of the cover member 53 may be 150 ⁇ m (0.15 mm) or less.
  • the thickness of the first holding member 51, the thickness of the second holding member 52, and the thickness of the cover member 53 are, for example, 30 ⁇ m or more or 50 ⁇ m or more.
  • the thermal conductivity of the first holding member 51, the thermal conductivity of the second holding member 52, and the thermal conductivity of the cover member 53 are preferably 0.1 ⁇ 10 2 W/m ⁇ ° C. or higher.
  • the thermal conductivity of the first holding member 51, the thermal conductivity of the second holding member 52, and the thermal conductivity of the cover member 53 are 0.3 ⁇ 10 2 W/m ⁇ ° C. or higher, or 0.5 ⁇ 10 2 W/ It may be above m ⁇ °C.
  • the thermal resistance of the connecting portion 50 is, for example, 16°C/W or higher.
  • the thermal resistance of the connecting portion 50 is measured according to the JEDEC standard (JESD51-2A).
  • the connection portion 50 is separated from the superconducting wire connection structure 100 .
  • the lengths of the first superconducting wire 10 and the second superconducting wire 20 extending from the connection portion 50 are set to 100 mm or less.
  • the thermal resistance of the connection portion 50 may be 18° C./W or more or 20° C./W or more.
  • the current density in the c-axis direction of the superconducting layer in the connection portion 50 when a current of 200 A is flowing through the superconducting wire connection structure 100 is preferably 50 A/mm 2 or less.
  • the current density in the c-axis direction of the superconducting layer at the connecting portion 50 is determined by the bonding area between the superconducting layer 13 at the first end portion 10a and the bonding layer 40 (or the second end portion). It is obtained by dividing by the bonding area between the superconducting layer 23 and the bonding layer 40 at 20a.
  • the current density in the c-axis direction of the superconducting layer in the connection portion 50 when a current of 200 A is flowing through the superconducting wire connection structure 100 may be 45 A/mm 2 or less.
  • the current density in the c-axis direction of the superconducting layer in the connection portion 50 when a current of 200 A is flowing through the superconducting wire connection structure 100 is, for example, 10 A/mm 2 or more.
  • FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the superconducting wire connection structure 100.
  • the method for manufacturing the superconducting wire connection structure 100 includes a preparation step S1, a microcrystalline layer formation step S2, a connection step S3, an oxygen introduction step S4, and a cover member attachment step S5. are doing.
  • the preparation step S1 the first superconducting wire 10, the second superconducting wire 20 and the third superconducting wire 30 are prepared.
  • a microcrystalline layer is formed on the superconducting layer 33 in the microcrystalline layer forming step S2.
  • the microcrystalline layer may be arranged on the superconducting layer 13 on the first end 10a and on the superconducting layer 23 on the second end 20a.
  • the microcrystalline layer is formed of polycrystalline REBCO.
  • an organic compound film is formed on the superconducting layer 33 by, for example, spin coating.
  • This organic compound film contains constituent elements of REBCO.
  • calcination is performed on the organic compound film.
  • the organic compound film becomes a precursor of REBCO.
  • the organic compound film that has undergone calcination is referred to as a calcined film.
  • heat treatment is performed on the calcined film after the calcination. As a result, the carbide contained in the calcined film is decomposed to form a microcrystalline layer containing REBCO microcrystals.
  • the superconducting layer 13 at the first end portion 10a and the superconducting layer 23 and the superconducting layer 33 at the second end portion 20a are connected using a microcrystalline layer.
  • the first superconducting wire 10 and the second superconducting wire are arranged such that the first end 10a and the second end 20a are adjacent to each other, and the microcrystalline layer is interposed to form the second superconducting wire.
  • the third superconducting wire 30 is arranged such that the superconducting layer 13 at the first end 10a and the superconducting layer 23 at the second end 20a face each other.
  • the first end portion 10a, the second end portion 20a and the third superconducting wire 30 are held between the first holding member 51 and the second holding member 52. With the first end portion 10a, the second end portion 20a and the third superconducting wire 30 held between the first holding member 51 and the second holding member 52, the first holding member 51 and the second holding member 52 are welded. etc. are fixed to each other. Third, heating the superconducting layer 13 at the first end 10a, the superconducting layer 23 at the second end 20a, the superconducting layer 33, and the microcrystalline layer via the first holding member 51 and the second holding member 52. and pressurization.
  • REBCO microcrystals contained in the microcrystalline layer are oriented and crystallized (epitaxially grown from the superconducting layer 13 at the first end 10a, the superconducting layer 23 and the superconducting layer 33 at the second end 20a), and the bonding layer 40.
  • Oxygen is desorbed from the superconducting layer 13 at the first end 10a, the superconducting layer 23 at the second end 20a, the superconducting layer 33 and the bonding layer 40 due to the heating performed in the connecting step S3. Therefore, in the oxygen introduction step S4, the superconducting layer 13 at the first end portion 10a, the superconducting layer 23 at the second end portion 20a, the superconducting layer 33 and the joint are heated and held in an atmosphere containing oxygen. Oxygen is introduced into layer 40 .
  • the cover member 53 is mounted.
  • the cover member 53 is folded back so that the first holding member 51 and the second holding member 52 are sandwiched between the first portion 53a and the second portion 53b, and the first portion 53a and the second portion 53b are folded. Attached by soldering.
  • the superconducting wire connection structure 100 having the structure shown in FIGS. 1 to 3 is manufactured.
  • the thickness T is set to 2 mm or less, so the heat dissipation in the connection portion 50 is improved.
  • the breakage at the connecting portion 50 is caused by thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the base material 11, base material 21 and base material 31 and the first holding member 51, second holding member 52 and cover member 53.
  • the coefficient of thermal expansion of the first clamping member 51, the coefficient of thermal expansion of the second clamping member 52, and the coefficient of thermal expansion of the cover member 53 are equal to the coefficient of thermal expansion of the substrate 11 and the coefficient of thermal expansion of the substrate 21. and 0.95 to 1.05 times the thermal expansion coefficient of the base material 31 .
  • the first clamping member 51, the second clamping member 52, and the cover member 53 similarly thermally expand and contract with the thermal expansion and contraction of the base material 11, the base material 21, and the base material 31, and the above thermal stress is reduced. unlikely to occur.
  • the superconducting wire connection structure 100 it is possible to suppress breakage in the connection portion 50 even if the thickness T is reduced.
  • the inside of the cover member 53 is hermetically sealed, and intrusion of moisture into the inside of the cover member 53 is suppressed. Therefore, according to the superconducting wire connection structure 100, deterioration of the superconducting properties of the superconducting layer 13 at the first end 10a, the superconducting layer 23 at the second end 20a, the superconducting layer 33, and the bonding layer 40 due to moisture is suppressed. It is
  • the thickness of the first holding member 51, the thickness of the second holding member 52, and the thickness of the cover member 53 are 0.2 mm or less.
  • the thermal conductivity and the thermal conductivity of the cover member 53 are 0.1 ⁇ 10 2 W/m ⁇ ° C. or more, the heat dissipation in the connection portion 50 is further improved.
  • the thermal resistance of the connecting portion 50 is 16° C./W or more, the heat dissipation in the connecting portion 50 is further improved.
  • the bonding area between the superconducting layer 13 and the bonding layer 40 at the first end 10a (or the superconducting layer 23 and the bonding layer 40 at the second end 20a) It is preferable to reduce the junction area with the superconducting layer 50 , that is, to increase the current density in the c-axis direction of the superconducting layer in the connection portion 50 .
  • the current density in the c-axis direction of the superconducting layer in the connection portion 50 is reduced, the amount of heat generated in the connection portion 50 is reduced.
  • the amount of heat generated in the connection portion 50 is reduced.
  • the superconducting layer 13 at the first end 10a, the superconducting layer 23 at the second end 20a, the superconducting layer 33, and the bonding layer 40 are less likely to be quenched.
  • the cover member 53 is composed of one member, but the cover member 53 may be composed of two members (hereinafter referred to as "first member” and “second member”). .
  • first member and second member forming the cover member 53 are fixed to each other by soldering or the like while sandwiching the first holding member 51 and the second holding member 52 .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a superconducting wire connection structure 100 according to a second modification.
  • FIG. 5 shows a cross section at a position corresponding to II-II in FIG.
  • the base material 11 at the first end 10 a and the base material 21 at the second end 20 a may be the second clamping member 52 .
  • the intermediate layer 12 and the superconducting layer 13 at the first end 10a and the intermediate layer 22 and the superconducting layer 23 at the second end 20a are partially removed, and then the first holding member 51 is removed from the base material. It is fixed to 11 and base material 21 by welding or the like.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a superconducting wire connection structure 100 according to a second modification.
  • FIG. 5 shows a cross section at a position corresponding to II-II in FIG.
  • the base material 11 at the first end 10 a and the base material 21 at the second end 20 a may be the second clamping member 52 .
  • the first superconducting wire 10, the second superconducting wire 20, the third superconducting wire 30, the bonding layer 40, the first sandwiching member 51, and the cover member 53 are laminated.
  • the maximum thickness is the thickness T. Also in this case, since the thickness T is set to 2 mm or less, the heat dissipation of the connection portion 50 is improved, and the thermal expansion coefficient of the first holding member 51 and the thermal expansion coefficient of the second holding member 52 (base material 21) And the thermal expansion coefficient of the cover member 53 is 0.95 times or more and 1.05 times or less the thermal expansion coefficient of the base material 11, the thermal expansion coefficient of the base material 21, and the thermal expansion coefficient of the base material 31. Breakage of the connecting portion 50 due to stress can be suppressed.
  • the base material 31 may be the first holding member 51 .
  • the intermediate layer 32 and the superconducting layer 33 are partially removed, and then the second holding member 52 is fixed to the base material 31 by welding or the like.
  • FIG. 6 is a plan view of a superconducting wire connection structure 100 according to a third modification.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view along VII-VII in FIG.
  • the first superconducting wire 10 and the second superconducting wire 20 are arranged such that the superconducting layer 13 at the first end 10 a and the superconducting layer 23 at the second end 20 a overlap the joining layer 40 . They may be overlapped and arranged so as to face each other with intervening. In this case, the superconducting wire connection structure 100 does not use the third superconducting wire 30 .
  • connection mode of the first superconducting wire 10 and the second superconducting wire 20 is not limited to the examples shown in FIGS.
  • the portion where the first superconducting wire 10, the second superconducting wire 20, the bonding layer 40, the first holding member 51, the second holding member 52, and the cover member 53 are laminated
  • the maximum thickness of is the thickness T.
  • the thickness T is set to 2 mm or less, the heat dissipation of the connecting portion 50 is improved, and the thermal expansion coefficient of the first holding member 51, the thermal expansion coefficient of the second holding member 52, and the thermal expansion coefficient of the cover member 53 are Since the thermal expansion coefficient is 0.95 times or more and 1.05 times or less of the thermal expansion coefficient of the base material 11 and the thermal expansion coefficient of the base material 21, the damage of the connection part 50 due to thermal stress is suppressed. can be done.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a superconducting wire connection structure 100 according to a fourth modification.
  • FIG. 8 shows a cross section at a position corresponding to VII-VII in FIG.
  • the superconducting layer 13 at the first end 10a and the superconducting layer 23 at the second end 20a are arranged to face each other with the bonding layer 40 interposed therebetween.
  • the third superconducting wire 30 and the cover member 53 may not be used. In the example shown in FIG.
  • the maximum thickness of the portion where the first superconducting wire 10, the second superconducting wire 20, the bonding layer 40, the first sandwiching member 51 and the second sandwiching member 52 are laminated is It becomes thickness T. Also in this case, since the thickness T is set to 2 mm or less, the heat dissipation of the connecting portion 50 is improved, and the coefficient of thermal expansion of the first holding member 51 and the coefficient of thermal expansion of the second holding member 52 are equal to those of the substrate 11. Since the coefficient of thermal expansion is 0.95 times or more and 1.05 times or less of the coefficient of thermal expansion of the base material 21, it is possible to suppress breakage of the connecting portion 50 due to thermal stress.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a superconducting wire connection structure 100 according to a fifth modification.
  • FIG. 9 shows a cross section at a position corresponding to VII-VII in FIG.
  • the superconducting wire connecting structure 100 may not have the third superconducting wire 30, and the superconducting layer 13 at the first end 10a and the superconducting layer 23 at the second end 20a
  • the first superconducting wire 10 and the second superconducting wire 20 may be arranged so as to face each other with the bonding layer 40 interposed therebetween.
  • the base material 11 may serve as the second holding member 52 and the base material 21 may serve as the first holding member 51 .
  • the substrate 11 and the substrate 21 are They are fixed together by welding or the like.
  • the portion where the first superconducting wire 10, the second superconducting wire 20, the bonding layer 40, the first holding member 51, the second holding member 52, and the cover member 53 are laminated
  • the maximum thickness of is the thickness T.
  • the thickness T is set to 2 mm or less, the heat dissipation of the connecting portion 50 is improved, and the thermal expansion coefficient of the first holding member 51 (base material 11) ) and the thermal expansion coefficient of the cover member 53 are 0.95 times or more and 1.05 times or less the thermal expansion coefficients of the substrate 11 and the thermal expansion coefficient of the substrate 21. It is possible to suppress breakage of the connecting portion 50 to be connected.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a superconducting wire connection structure 100 according to a sixth modification. A cross section at a position corresponding to VII-VII in FIG. 6 is shown in FIG.
  • the superconducting layer 13 at the first end 10a and the superconducting layer 23 at the second end 20a face each other with the bonding layer 40 therebetween.
  • the wire 10 and the second superconducting wire 20 may be overlapped.
  • the base material 11 is the second holding member 52 and the base material 21 is the first holding member 51, and the base material 11 and the base material 21 are fixed to each other. good too.
  • the superconducting wire connection structure 100 may not have the third superconducting wire 30 and the cover member 53 .
  • the thickness T is the maximum thickness of the portion where the first superconducting wire 10, the second superconducting wire 20, and the bonding layer 40 are laminated.
  • the thermal expansion coefficient of the first holding member 51 (base material 11) ) has a coefficient of thermal expansion of 0.95 times or more and 1.05 times or less of the coefficient of thermal expansion of the base material 11 and the coefficient of thermal expansion of the base material 21. Therefore, the damage of the connection part 50 due to thermal stress is suppressed. can do.

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Abstract

超電導線材接続構造は、第１超電導線材と第２超電導線材とを備える。第１超電導線材は、第１超電導線材の長手方向において第１端部を有する。第２超電導線材は、第２超電導線材の長手方向において第２端部を有する。第１超電導線材及び第２超電導線材の各々は、基材と、基材上に配置されている中間層と、中間層上に配置されている超電導層とを有する。第１端部にある超電導層と第２端部にある超電導層とが接続されている超電導線材接続構造の部分である接続部は、第１挟持部材及び第２挟持部材を有する。第１端部にある超電導層及び第２端部にある超電導層は、第１挟持部材と第２挟持部材とにより挟持されている。第１挟持部材の熱膨張率及び第２挟持部材の熱膨張率は、基材の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下である。

Description

超電導線材接続構造
　本開示は、超電導線材接続構造に関する。本出願は、２０２１年１２月１５日に出願した日本特許出願である特願２０２１－２０３５７９号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
　国際公開第２０１６／１２９４６９号（特許文献１）には、超電導線材接続構造が記載されている。特許文献１に記載の超電導線材接続構造は、第１超電導線材と、第２超電導線材と、接合層とを有している。第１超電導線材及び第２超電導線材の各々は、金属基板と、中間層と、超電導層とを有している。中間層は、金属基板上に配置されている。超電導層は、中間層上に配置されている。第１超電導線材は、第１超電導線材の長手方向において第１端部を有している。第２超電導線材は、第２超電導線材の長手方向において第２端部を有している。
　特許文献１に記載の超電導線材接続構造では、第１端部にある超電導層及び第２端部にある超電導層とが、接合層を介在させて、超電導接合されている。
国際公開第２０１６／１２９４６９号
　本開示の超電導線材接続構造は、第１超電導線材と、第２超電導線材とを備えている。第１超電導線材は、第１超電導線材の長手方向において第１端部を有する。第２超電導線材は、第２超電導線材の長手方向において第２端部を有する。第１超電導線材及び第２超電導線材の各々は、基材と、基材上に配置されている中間層と、中間層上に配置されている超電導層とを有する。第１端部にある超電導層と第２端部にある超電導層とが接続されている超電導線材接続構造の部分である接続部は、第１挟持部材及び第２挟持部材を有する。第１端部にある超電導層及び第２端部にある超電導層は、第１挟持部材と第２挟持部材とにより挟持されている。接続部の厚さは、２ｍｍ以下である。第１挟持部材の熱膨張率及び第２挟持部材の熱膨張率は、基材の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下である。
図１は、超電導線材接続構造１００の平面図である。 図２は、図１中のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。 図３は、図１中のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。 図４は、超電導線材接続構造１００の製造工程図である。 図５は、第２の変形例に係る超電導線材接続構造１００の断面図である。 図６は、第３の変形例に係る超電導線材接続構造１００の平面図である。 図７は、図６中のＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面図である。 図８は、第４の変形例に係る超電導線材接続構造１００の断面図である。 図９は、第５の変形例に係る超電導線材接続構造１００の断面図である。 図１０は、第６の変形例に係る超電導線材接続構造１００の断面図である。
　［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接続構造の接続部（第１端部にある超電導層と第２端部にある超電導層とが接合層により接続されている部分）における破損を防止するため、第１端部及び第２端部を一対の板部材（以下「第１板部材」及び「第２板部材」とする）により挟持し、第１板部材と第２板部材とをねじ止めすることが考えられる。
　しかしながら、この場合には、第１板部材及び第２板部材にねじ穴を形成する必要があるため、第１板部材の厚さ及び第２板部材の厚さが大きくなり、接続部における放熱性が低くなる。接続部における放熱性が低いと、接続部における温度が上昇した際に、接続部にある超電導層がクエンチしてしまうおそれがある。
　本開示は、上記のような問題点に鑑みてなされたものである。本開示は、より具体的には、接続部における破損を防止しつつ、接続部における放熱性を改善することが可能な超電導線材接続構造を提供するものである。
　［本開示の効果］
　本開示の超電導線材接続構造によると、接続部における破損を防止しつつ、接続部における放熱性を改善することが可能である。
　［本開示の実施形態の説明］
　まず、本開示の実施形態を列記して説明する。
　（１）実施形態に係る超電導線材接続構造は、第１超電導線材と、第２超電導線材とを備える。第１超電導線材は、第１超電導線材の長手方向において第１端部を有する。第２超電導線材は、第２超電導線材の長手方向において第２端部を有する。第１超電導線材及び第２超電導線材の各々は、基材と、基材上に配置されている中間層と、中間層上に配置されている超電導層とを有する。第１端部にある超電導層と第２端部にある超電導層とが接続されている超電導線材接続構造の部分である接続部は、第１挟持部材及び第２挟持部材を有する。第１端部にある超電導層及び第２端部にある超電導層は、第１挟持部材と第２挟持部材とにより挟持されている。接続部の厚さは、２ｍｍ以下である。第１挟持部材の熱膨張率及び第２挟持部材の熱膨張率は、基材の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下である。
　上記（１）の超電導線材接続構造によると、接続部における破損を防止しつつ接続部における放熱性を改善することが可能である。
　（２）上記（１）の超電導線材接続構造では、接続部が、さらに、カバー部材を有していてもよい。第１挟持部材及び第２挟持部材は、カバー部材に覆われていてもよい。カバー部材の熱膨張率は、基材の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下であってもよい。
　上記（２）の超電導線材接続構造によると、接続部における防水性を改善することが可能である。
　（３）上記（２）の超電導線材接続構造は、さらに、第３超電導線材を備えていてもよい。第３超電導線材は、基材と、中間層と、超電導層とを有していてもよい。第３超電導線材の超電導層は、第１端部にある超電導層及び第２端部にある超電導層と向かい合って配置されていてもよい。第１挟持部材及び第２挟持部材は、第１端部、第２端部及び第３超電導線材を挟持していてもよい。
　（４）上記（２）又は（３）の超電導線材接続構造では、第１挟持部材の熱伝導率、第２挟持部材の熱伝導率及びカバー部材の熱伝導率が、０．１×１０２Ｗ／ｍ・℃以上であってもよい。第１挟持部材の厚さ及び第２挟持部材の厚さは、０．２ｍｍ以下であってもよい。
　上記（４）の超電導線材接続構造によると、接続部における放熱性をさらに改善することが可能である。
　（５）上記（２）から（４）の超電導線材接続構造では、接続部の熱抵抗が、１６℃／Ｗ以上であってもよい。
　上記（５）の超電導線材接続構造によると、接続部における発熱量を小さくすることが可能である。
　（６）上記（１）から（５）の超電導線材接続構造では、超電導層を構成している酸化物超電導体の結晶粒のｃ軸方向が、超電導層の厚さ方向に沿っていてもよい。超電導線材接続構造に２００Ａの電流が流れている際の接続部にある超電導層のｃ軸方向における電流密度は、５０Ａ／ｍｍ２以下であってもよい。
　上記（６）の超電導線材接続構造によると、接続部における放熱性をさらに改善することが可能である。
　［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。以下の図面では、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接続構造の構成）
　以下に、実施形態に係る超電導線材接続構造を説明する。実施形態に係る超電導線材接続構造を、超電導線材接続構造１００とする。
　図１は、超電導線材接続構造１００の平面図である。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図３は、図１中のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。図１から図３に示されるように、超電導線材接続構造１００は、第１超電導線材１０と、第２超電導線材２０とを有している。
　第１超電導線材１０は、基材１１と、中間層１２と、超電導層１３と、保護層１４と、安定化層１５とを有している。
　基材１１は、例えば、ステンレス鋼により形成されているテープである。基材１１上には、銅層１１ａ及びニッケル層１１ｂがクラッドされている。銅層１１ａは基材１１上に配置されており、ニッケル層１１ｂは銅層１１ａ上に配置されている。銅層１１ａ及びニッケル層１１ｂは、結晶配向されている。但し、基材１１は、これに限られるものではない。基材１１は、ハステロイ（登録商標）により形成されていてもよい。基材１１がハステロイにより形成されている場合、銅層１１ａ及びニッケル層１１ｂはクラッドされていない。
　中間層１２は、基材１１上に配置されている。基材１１がステンレス鋼により形成されているテープである場合、中間層１２と基材１１との間に、銅層１１ａ及びニッケル層１１ｂが介在されている。中間層１２は、例えば、安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の層、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の層及び酸化セリウム（ＣｅＯ２）の層を順次積層することにより構成されている。上記のとおり、ニッケル層１１ｂは結晶配向されているため、その上にある中間層１２も、結晶配向されている。中間層１２は、例えば、マグネトロンスパッタリングにより形成される。なお、基材１１がハステロイ等である場合、例えばＩＢＡＤ（Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ　Ａｓｓｉｓｔｅｄ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、結晶配向された中間層１２が形成される。
　超電導層１３は、中間層１２上に配置されている。超電導層１３は、ＲＥＢＣＯにより形成されている。ＲＥＢＣＯは、ＲＥＢａＣｕ３Ｏｙ（ＲＥは希土類元素）である。希土類元素は、例えばイットリウム（Ｙ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロビウム（Ｅｕ）、ガドリウム（Ｇｄ），ホルミウム（Ｈｏ）、イッテルビウム(Ｙｂ）等である。超電導層１３は、例えばＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成される。超電導層１３は、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成されてもよい。
　上記のとおり中間層１２が結晶配向されているため、その上にある超電導層１３も結晶配向されている。より具体的には、超電導層１３を構成しているＲＥＢＣＯの結晶粒のｃ軸が、超電導層１３の厚さ方向に沿っている。
　保護層１４は、超電導層１３上に配置されている。保護層１４は、銀（Ａｇ）により形成されている。保護層１４は、銀合金により形成されていてもよい。保護層１４は、例えば、スパッタリングにより形成される。
　安定化層１５は、保護層１４上に配置されている。安定化層１５は、中間層１２とは反対側の基材１１の表面上、基材１１の側面上、中間層１２の側面上、超電導層１３の側面上及び保護層１４の側面上にも配置されている。安定化層１５は、銅により形成されている。安定化層１５は、銅合金により形成されていてもよい。安定化層１５は、例えば、めっき法により形成される。
　第１超電導線材１０は、第１端部１０ａを有している。第１端部１０ａは、第１超電導線材１０の長手方向における端部である。第１端部１０ａでは、保護層１４及び安定化層１５が除去されている。すなわち、第１端部１０ａでは、超電導層１３が露出している。
　第２超電導線材２０は、基材２１と、中間層２２と、超電導層２３と、保護層２４と、安定化層２５とを有している。
　基材２１は、例えば、ステンレス鋼により形成されているテープである。基材２１上には、銅層２１ａ及びニッケル層２１ｂがクラッドされている。銅層２１ａは基材２１上に配置されており、ニッケル層２１ｂは銅層２１ａ上に配置されている。銅層２１ａ及びニッケル層２１ｂは、結晶配向されている。但し、基材２１は、これに限られるものではない。基材２１は、ハステロイにより形成されていてもよい。基材２１がハステロイにより形成されている場合、銅層２１ａ及びニッケル層２１ｂはクラッドされていない。
　中間層２２は、基材２１上に配置されている。基材２１がステンレス鋼により形成されているテープである場合、中間層２２と基材２１との間に、銅層２１ａ及びニッケル層２１ｂが介在されている。中間層２２は、例えば、安定化ジルコニアの層、酸化イットリウムの層及び酸化セリウムの層を順次積層することにより構成されている。
　上記のとおり、ニッケル層２１ｂは結晶配向されているため、その上にある中間層２２も、結晶配向されている。中間層２２は、例えば、マグネトロンスパッタリングにより形成される。なお、基材２１がハステロイ等である場合、例えばＩＢＡＤにより、結晶配向された中間層２２が形成される。
　超電導層２３は、中間層２２上に配置されている。超電導層２３は、ＲＥＢＣＯにより形成されている。超電導層２３は、例えばＰＬＤにより形成される。超電導層２３は、ＭＯＤにより形成されてもよい。上記のとおり中間層２２が結晶配向されているため、その上にある超電導層２３も結晶配向されている。より具体的には、超電導層２３を構成しているＲＥＢＣＯの結晶粒のｃ軸方向が、超電導層２３の厚さ方向に沿っている。
　保護層２４は、超電導層２３上に配置されている。保護層２４は、銀により形成されている。保護層２４は、銀合金により形成されていてもよい。保護層２４は、例えば、スパッタリングにより形成される。
　安定化層２５は、保護層２４上に配置されている。安定化層２５は、中間層２２とは反対側の基材２１の表面上、基材２１の側面上、中間層２２の側面上、超電導層２３の側面上及び保護層２４の側面上にも配置されている。安定化層２５は、銅により形成されている。安定化層２５は、銅合金により形成されていてもよい。安定化層２５は、例えば、めっき法により形成される。
　第２超電導線材２０は、第２端部２０ａを有している。第２端部２０ａは、第２超電導線材２０の長手方向における端部である。第２端部２０ａでは、保護層２４及び安定化層２５が除去されている。すなわち、第２端部２０ａでは、超電導層２３が露出している。
　第１超電導線材１０及び第２超電導線材２０は、例えば、第１端部１０ａ及び第２端部２０ａが隣り合うように配置されている。
　第１端部１０ａにある超電導層１３は、第２端部２０ａにある超電導層２３に接続されている。この接続は、例えば第３超電導線材３０及び接合層４０を用いて行われている。第３超電導線材３０は、基材３１と、中間層３２と、超電導層３３とを有している。
　基材３１は、例えば、ステンレス鋼により形成されているテープである。基材３１上には、銅層３１ａ及びニッケル層３１ｂがクラッドされている。銅層３１ａは基材３１上に配置されており、ニッケル層３１ｂは銅層３１ａ上に配置されている。銅層３１ａ及びニッケル層３１ｂは、結晶配向されている。但し、基材３１は、これに限られるものではない。基材３１は、ハステロイにより形成されていてもよい。基材３１がハステロイにより形成されている場合、銅層３１ａ及びニッケル層３１ｂはクラッドされていない。
　中間層３２は、基材３１上に配置されている。基材３１がステンレス鋼により形成されているテープである場合、中間層３２と基材３１との間に、銅層３１ａ及びニッケル層３１ｂが介在されている。中間層３２は、例えば、安定化ジルコニアの層、酸化イットリウムの層及び酸化セリウムの層を順次積層することにより構成されている。
　上記のとおり、ニッケル層３１ｂは結晶配向されているため、その上にある中間層３２も、結晶配向されている。中間層３２は、例えば、マグネトロンスパッタリングにより形成される。なお、基材３１がハステロイ等である場合、例えばＩＢＡＤにより、結晶配向された中間層３２が形成される。
　超電導層３３は、中間層３２上に配置されている。超電導層３３は、ＲＥＢＣＯにより形成されている。超電導層３３は、例えばＰＬＤにより形成される。超電導層３３は、ＭＯＤにより形成されていてもよい。上記のとおり中間層３２が結晶配向されているため、その上にある超電導層３３も結晶配向されている。より具体的には、超電導層３３を構成しているＲＥＢＣＯの結晶粒のｃ軸方向が、超電導層３３の厚さ方向に沿っている。
　第３超電導線材３０は、超電導層３３が第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３と向かい合うように配置されている。接合層４０は、超電導層３３と第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３との間に配置されている。
　接合層４０は、ＲＥＢＣＯにより形成されている。接合層４０を構成しているＲＥＢＣＯの結晶粒のｃ軸方向が、第１端部１０ａにある超電導層１３を構成しているＲＥＢＣＯのｃ軸方向、第２端部２０ａにある超電導層２３を構成しているＲＥＢＣＯのｃ軸方向及び超電導層３３を構成しているＲＥＢＣＯのｃ軸方向に沿っている。そのため、第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３は、第３超電導線材３０（超電導層３３）及び接合層４０により、超電導接合されている。
　第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３が接続されている超電導線材接続構造１００の部分を、接続部５０とする。接続部５０は、第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２と、カバー部材５３とを有している。なお、接続部５０はカバー部材５３を有していなくてもよい。また、接続部５０は、接合層４０を有していてもよい。
　第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２は、シート状の部材である。第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２は、第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３と第３超電導線材３０とを挟持している。第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２は、例えば溶接により互いに固定されている。第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２は、はんだ付けにより互いに固定されてもよい。
　カバー部材５３は、シート状の部材である。カバー部材５３は、第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２を覆っている。より具体的には、カバー部材５３は、第１部分５３ａと第２部分５３ｂとを有している。カバー部材５３は、第１部分５３ａと第２部分５３ｂが向かい合うように、折り返されている。第１部分５３ａと第２部分５３ｂとの間には、第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２が配置されている。第１部分５３ａは、例えば、はんだ付けにより、第２部分５３ｂに固定されている。これにより、カバー部材５３の内部が密閉されている。
　接続部５０における厚さを、厚さＴとする。厚さＴは、２ｍｍ以下である。厚さＴは、１．８ｍｍ以下又は１．５ｍｍ以下であってもよい。厚さＴは、例えば６０μｍ以上又は１００μｍ以上である。第１挟持部材５１の熱膨張率、第２挟持部材５２の熱膨張率及びカバー部材５３の熱膨張率は、基材１１の熱膨張率、基材２１の熱膨張率及び基材３１の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下である。第１挟持部材５１の構成材料、第２挟持部材５２の構成材料及びカバー部材５３の構成材料は、基材１１、基材２１及び基材３１の構成材料と同一であることが好ましい。図２に示される例において、第１超電導線材１０、第２超電導線材２０、第３超電導線材３０、接合層４０、第１挟持部材５１、第２挟持部材５２及びカバー部材５３が積層されている部分の最大厚さが、厚さＴである。
　第１挟持部材５１の厚さ、第２挟持部材５２の厚さ及びカバー部材５３の厚さは、０．２ｍｍ以下であることが好ましい。第１挟持部材５１の厚さ、第２挟持部材５２の厚さ及びカバー部材５３の厚さは、１５０μｍ（０．１５ｍｍ）以下であってもよい。第１挟持部材５１の厚さ、第２挟持部材５２の厚さ及びカバー部材５３の厚さは、例えば、３０μｍ以上又は５０μｍ以上である。第１挟持部材５１の熱伝導率、第２挟持部材５２の熱伝導率及びカバー部材５３の熱伝導率は、０．１×１０２Ｗ／ｍ・℃以上であることが好ましい。第１挟持部材５１の熱伝導率、第２挟持部材５２の熱伝導率及びカバー部材５３の熱伝導率は、０．３×１０２Ｗ／ｍ・℃以上又は０．５×１０２Ｗ／ｍ・℃以上であってもよい。
　接続部５０の熱抵抗は、例えば、１６℃／Ｗ以上である。接続部５０の熱抵抗は、接続部５０の熱抵抗は、ＪＥＤＥＣ規格（ＪＥＳＤ５１－２Ａ）にしたがって測定される。接続部５０の熱抵抗を測定するために、超電導線材接続構造１００から接続部５０が分離される。この際、接続部５０から延びている第１超電導線材１０及び第２超電導線材２０の長さは、１００ｍｍ以下とされる。接続部５０の構成材料によっては、接続部５０の熱抵抗は、１８℃／Ｗ以上又は２０℃／Ｗ以上であってもよい。
　超電導線材接続構造１００に２００Ａの電流が流れている際の接続部５０にある超電導層のｃ軸方向における電流密度は、５０Ａ／ｍｍ２以下であることが好ましい。接続部５０にある超電導層のｃ軸方向における電流密度は、超電導線材接続構造１００に流れる電流を第１端部１０ａにある超電導層１３と接合層４０との接合面積（又は、第２端部２０ａにある超電導層２３と接合層４０との接合面積）で除することにより得られる。超電導線材接続構造１００に２００Ａの電流が流れている際の接続部５０にある超電導層のｃ軸方向における電流密度は、４５Ａ／ｍｍ２以下であってもよい。超電導線材接続構造１００に２００Ａの電流が流れている際の接続部５０にある超電導層のｃ軸方向における電流密度は、例えば、１０Ａ／ｍｍ２以上である。
　（実施形態に係る超電導線材接続構造の製造方法）
　以下に、超電導線材接続構造１００の製造方法を説明する。
　図４は、超電導線材接続構造１００の製造工程図である。図４に示されるように、超電導線材接続構造１００の製造方法は、準備工程Ｓ１と、微結晶層形成工程Ｓ２と、接続工程Ｓ３と、酸素導入工程Ｓ４と、カバー部材取り付け工程Ｓ５とを有している。
　準備工程Ｓ１では、第１超電導線材１０、第２超電導線材２０及び第３超電導線材３０が準備される。
　微結晶層形成工程Ｓ２では、超電導層３３上に、微結晶層が形成される。微結晶層は、超電導層３３上に代えて、第１端部１０ａにある超電導層１３上及び第２端部２０ａ上にある超電導層２３上に配置されてもよい。微結晶層は、ＲＥＢＣＯの多結晶体により形成されている。
　微結晶層の形成に際しては、第１に、例えばスピンコート法により超電導層３３上に有機化合物膜が形成される。この有機化合物膜は、ＲＥＢＣＯ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。この仮焼成により、有機化合物膜は、ＲＥＢＣＯ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。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、ＲＥＢＣＯの微結晶を含む微結晶層が形成される。
　接続工程Ｓ３では、微結晶層を用いて、第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３と超電導層３３とが、接続される。接続工程Ｓ３では、第１に、第１端部１０ａと第２端部２０ａとが隣り合うように第１超電導線材１０及び第２超電導線材が配置されるとともに、微結晶層を介在させて第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３と超電導層３３とが向かい合うように第３超電導線材３０が配置される。
　第２に、第１端部１０ａ、第２端部２０ａ及び第３超電導線材３０が、第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２により挟持される。第１端部１０ａ、第２端部２０ａ及び第３超電導線材３０が第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２により挟持された状態で、第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２は、溶接等で互いに固定される。第３に、第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２を介して、第１端部１０ａにある超電導層１３、第２端部２０ａにある超電導層２３、超電導層３３及び微結晶層に対する加熱及び加圧が行われる。これにより、微結晶層に含まれるＲＥＢＣＯの微結晶が配向結晶化し（第１端部１０ａにある超電導層１３、第２端部２０ａにある超電導層２３及び超電導層３３からエピタキシャル成長し）、接合層４０となる。
　接続工程Ｓ３において行われた加熱により、第１端部１０ａにある超電導層１３、第２端部２０ａにある超電導層２３、超電導層３３及び接合層４０から酸素が脱離する。そのため、酸素導入工程Ｓ４では、酸素を含む雰囲気下において接続部を加熱保持することにより、第１端部１０ａにある超電導層１３、第２端部２０ａにある超電導層２３、超電導層３３及び接合層４０に酸素が導入される。
　カバー部材取り付け工程Ｓ５では、カバー部材５３の取り付けが行われる。カバー部材５３は、第１部分５３ａと第２部分５３ｂとにより第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２が挟み込まれるようにカバー部材５３が折り返されるとともに、第１部分５３ａを第２部分５３ｂにはんだ付けすることにより取り付けられる。以上により、図１から図３に示される構造の超電導線材接続構造１００が製造される。
　（実施形態に係る超電導線材接続構造の効果）
　以下に、超電導線材接続構造１００の効果を説明する。
　超電導線材接続構造１００では、接続部５０の厚さ（厚さＴ）が大きくなるほど、接続部５０における機械的強度は改善されるが、接続部５０における放熱性が低下することになる。しかしながら、超電導線材接続構造１００では、厚さＴが２ｍｍ以下とされているため、接続部５０における放熱性が改善されている。そして、超電導線材接続構造１００では、接続部５０における放熱性が改善されている結果、接続部５０が発熱しても、第１端部１０ａにある超電導層１３、第２端部２０ａにある超電導層２３、超電導層３３及び接合層４０にクエンチが生じにくくなっている。
　接続部５０における破損は、基材１１、基材２１及び基材３１と第１挟持部材５１、第２挟持部材５２及びカバー部材５３との間における熱膨張率差に起因した熱応力により生じる。超電導線材接続構造１００では、第１挟持部材５１の熱膨張率、第２挟持部材５２の熱膨張率及びカバー部材５３の熱膨張率が基材１１の熱膨張率、基材２１の熱膨張率及び基材３１の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下になっている。
　その結果、基材１１、基材２１及び基材３１の熱膨張・収縮に伴い第１挟持部材５１、第２挟持部材５２及びカバー部材５３が同様に熱膨張・収縮し、上記の熱応力が発生しにくい。このように、超電導線材接続構造１００によると、厚さＴを小さくしても、接続部５０における破損を抑制することが可能である。
　超電導線材接続構造１００では、カバー部材５３の内部が密閉されており、カバー部材５３の内部への水分の侵入が抑制されている。そのため、超電導線材接続構造１００によると、第１端部１０ａにある超電導層１３、第２端部２０ａにある超電導層２３、超電導層３３及び接合層４０の超電導特性が水分により劣化することが抑制されている。
　第１挟持部材５１の厚さ、第２挟持部材５２の厚さ及びカバー部材５３の厚さが０．２ｍｍ以下であり、第１挟持部材５１の熱伝導率、第２挟持部材５２の熱伝導率及びカバー部材５３の熱伝導率が０．１×１０２Ｗ／ｍ・℃以上である場合には、接続部５０における放熱性がさらに改善される。接続部５０の熱抵抗が１６℃／Ｗ以上である場合も、接続部５０における放熱性がさらに改善される。
　一般的に、接続部５０をコンパクトにする観点からは、第１端部１０ａにある超電導層１３と接合層４０との接合面積（又は、第２端部２０ａにある超電導層２３と接合層４０との接合面積）を小さくすること、すなわち、接続部５０にある超電導層のｃ軸方向における電流密度を大きくすることが好ましい。他方で、接続部５０にある超電導層のｃ軸方向における電流密度を小さくなれば、接続部５０における発熱量が小さくなる。
　そのため、超電導線材接続構造１００に２００Ａの電流が流れている際の接続部５０のｃ軸方向における電流密度が５０Ａ／ｍｍ２以下である場合には、接続部５０における発熱量の低下により、第１端部１０ａにある超電導層１３、第２端部２０ａにある超電導層２３、超電導層３３及び接合層４０にクエンチが生じにくくなる。
　（第１の変形例）
　上記の例では、カバー部材５３を１枚の部材により構成したが、カバー部材５３は、２枚の部材（以下「第１部材」及び「第２部材」とする）により構成されていてもよい。この場合、カバー部材５３を構成する第１部材及び第２部材は、第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２を挟み込んだ状態で、はんだ付け等により互いに固定される。
　（第２の変形例）
　図５は、第２の変形例に係る超電導線材接続構造１００の断面図である。図５には、図１中のＩＩ－ＩＩに対応する位置の断面が示されている。図５に示されるように、第１端部１０ａにある基材１１及び第２端部２０ａにある基材２１が第２挟持部材５２になっていてもよい。この場合、第１端部１０ａにある中間層１２及び超電導層１３並びに第２端部２０ａにある中間層２２及び超電導層２３が部分的に除去された上で、第１挟持部材５１が基材１１及び基材２１に溶接等により固定される。なお、図５に示されている例において、第１超電導線材１０、第２超電導線材２０、第３超電導線材３０、接合層４０、第１挟持部材５１及びカバー部材５３が積層されている部分の最大厚さが、厚さＴとなる。この場合も、厚さＴが２ｍｍ以下とされているために接続部５０の放熱性が改善され、第１挟持部材５１の熱膨張率、第２挟持部材５２（基材２１）の熱膨張率及びカバー部材５３の熱膨張率が基材１１の熱膨張率、基材２１の熱膨張率及び基材３１の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下とされているために熱応力に起因する接続部５０の破損を抑制することができる。
　図示されていないが、基材３１が第１挟持部材５１になっていてもよい。この場合、中間層３２及び超電導層３３が部分的に除去された上で、第２挟持部材５２が基材３１に溶接等により固定される。
　（第３の変形例）
　図６は、第３の変形例に係る超電導線材接続構造１００の平面図である。図７は、図６中のＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面図である。図６及び図７に示されるように、第１超電導線材１０及び第２超電導線材２０は、第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３が接合層４０を介在させて向かい合うように重ねて配置されていてもよい。この場合、超電導線材接続構造１００には、第３超電導線材３０は用いられない。このように、第１超電導線材１０及び第２超電導線材２０の接続態様は、図１から図３に示される例に限定されない。なお、図７に示されている例においては、第１超電導線材１０、第２超電導線材２０、接合層４０、第１挟持部材５１、第２挟持部材５２及びカバー部材５３が積層されている部分の最大厚さが、厚さＴとなる。この場合も、厚さＴが２ｍｍ以下とされているために接続部５０の放熱性が改善され、第１挟持部材５１の熱膨張率、第２挟持部材５２の熱膨張率及びカバー部材５３の熱膨張率が基材１１の熱膨張率及び基材２１の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下とされているために熱応力に起因する接続部５０の破損を抑制することができる。
　（第４の変形例）
　図８は、第４の変形例に係る超電導線材接続構造１００の断面図である。図８には、図６中のＶＩＩ－ＶＩＩに対応する位置における断面が示されている。図８に示されるように、超電導線材接続構造１００では、第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３が接合層４０を介在させて向かい合うように重ねて配置されていてもよく、第３超電導線材３０及びカバー部材５３が用いられなくてもよい。なお、図８に示される例においては、第１超電導線材１０、第２超電導線材２０、接合層４０、第１挟持部材５１及び第２挟持部材５２が積層されている部分の最大厚さが、厚さＴとなる。この場合も、厚さＴが２ｍｍ以下とされているために接続部５０の放熱性が改善され、第１挟持部材５１の熱膨張率及び第２挟持部材５２の熱膨張率が基材１１の熱膨張率及び基材２１の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下とされているために熱応力に起因する接続部５０の破損を抑制することができる。
　（第５の変形例）
　図９は、第５の変形例に係る超電導線材接続構造１００の断面図である。図９には、図６中のＶＩＩ－ＶＩＩに対応する位置における断面が示されている。図９に示されるように、超電導線材接続構造１００は、第３超電導線材３０を有していなくてもよく、第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３が接合層４０を介在させて向かい合うように第１超電導線材１０及び第２超電導線材２０が重ねて配置されていてもよい。
　また、超電導線材接続構造１００では、基材１１が第２挟持部材５２になっているとともに、基材２１が第１挟持部材５１になっていてもよい。この場合、第１端部１０ａにある中間層１２及び超電導層１３並びに第２端部２０ａにある中間層２２及び超電導層２３が部分的に除去された上で、基材１１及び基材２１が溶接等により互いに固定される。なお、図９に示されている例においては、第１超電導線材１０、第２超電導線材２０、接合層４０、第１挟持部材５１、第２挟持部材５２及びカバー部材５３が積層されている部分の最大厚さが、厚さＴとなる。この場合も、厚さＴが２ｍｍ以下とされているために接続部５０の放熱性が改善され、第１挟持部材５１（基材１１）の熱膨張率、第２挟持部材５２（基材２１）の熱膨張率及びカバー部材５３の熱膨張率が基材１１の熱膨張率及び基材２１の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下とされているために熱応力に起因する接続部５０の破損を抑制することができる。
　（第６の変形例）
　図１０は、第６の変形例に係る超電導線材接続構造１００の断面図である。図６中のＶＩＩ－ＶＩＩに対応する位置における断面が、図１０中に示されている。図１０に示されるように、超電導線材接続構造１００では、第１端部１０ａにある超電導層１３及び第２端部２０ａにある超電導層２３が接合層４０を介在させて向かい合うように第１超電導線材１０及び第２超電導線材２０が重ねて配置されていてもよい。また、超電導線材接続構造１００では、基材１１が第２挟持部材５２になっているとともに基材２１が第１挟持部材５１になっており、基材１１及び基材２１が互いに固定されていてもよい。さらに、超電導線材接続構造１００は、第３超電導線材３０及びカバー部材５３を有していなくてもよい。なお、図１０に示されている例においては、第１超電導線材１０、第２超電導線材２０及び接合層４０が積層されている部分の最大厚さが、厚さＴとなる。この場合も、厚さＴが２ｍｍ以下とされているために接続部５０の放熱性が改善され、第１挟持部材５１（基材１１）の熱膨張率及び第２挟持部材５２（基材２１）の熱膨張率が基材１１の熱膨張率及び基材２１の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下とされているために熱応力に起因する接続部５０の破損を抑制することができる。
　今回開示された実施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　第１超電導線材、１０ａ　第１端部、１１　基材、１１ａ　銅層、１１ｂ　ニッケル層、１２　中間層、１３　超電導層、１４　保護層、１５　安定化層、２０　第２超電導線材、２０ａ　第２端部、２１　基材、２１ａ　銅層、２１ｂ　ニッケル層、２２　中間層、２３　超電導層、２４　保護層、２５　安定化層、３０　第３超電導線材、３１　基材、３１ａ　銅層、３１ｂ　ニッケル層、３２　中間層、３３　超電導層、４０　接合層、５０　接続部、５１　第１挟持部材、５２　第２挟持部材、５３　カバー部材、５３ａ　第１部分、５３ｂ　第２部分、１００　超電導線材接続構造、Ｓ１　準備工程、Ｓ２　微結晶層形成工程、Ｓ３　接続工程、Ｓ４　酸素導入工程、Ｓ５　カバー部材取り付け工程、Ｔ　厚さ。

Claims (6)

  1. 　超電導線材接続構造であって、
    　第１超電導線材と、
    　第２超電導線材とを備え、
    　前記第１超電導線材は、前記第１超電導線材の長手方向において、第１端部を有し、
    　前記第２超電導線材は、前記第２超電導線材の長手方向において、第２端部を有し、
    　前記第１超電導線材及び前記第２超電導線材の各々は、基材と、前記基材上に配置されている中間層と、前記中間層上に配置されている超電導層とを有しており、
    　前記第１端部にある前記超電導層と前記第２端部にある前記超電導層とが接続されている前記超電導線材接続構造の部分である接続部は、第１挟持部材及び第２挟持部材を有しており、
    　前記第１端部にある前記超電導層及び前記第２端部にある前記超電導層は、前記第１挟持部材と前記第２挟持部材とにより挟持されており、
    　前記接続部の厚さは、２ｍｍ以下であり、
    　前記第１挟持部材の熱膨張率及び前記第２挟持部材の熱膨張率は、前記基材の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下である、超電導線材接続構造。
  2. 　前記接続部は、カバー部材をさらに有しており、
    　前記第１挟持部材及び前記第２挟持部材は、前記カバー部材に覆われており、
    　前記カバー部材の熱膨張率は、前記基材の熱膨張率の０．９５倍以上１．０５倍以下である、請求項１に記載の超電導線材接続構造。
  3. 　第３超電導線材をさらに備え、
    　前記第３超電導線材は、前記基材と、前記中間層と、前記超電導層とを有しており、
    　前記第３超電導線材の前記超電導層は、前記第１端部にある前記超電導層及び前記第２端部にある前記超電導層と向かい合って配置されており、
    　前記第１挟持部材及び前記第２挟持部材は、前記第１端部、前記第２端部及び前記第３超電導線材を挟持している、請求項２に記載の超電導線材接続構造。
  4. 　前記第１挟持部材の熱伝導率、前記第２挟持部材の熱伝導率及び前記カバー部材の熱伝導率は、０．１×１０２Ｗ／ｍ・℃以上であり、
    　前記第１挟持部材の厚さ及び前記第２挟持部材の厚さは、０．２ｍｍ以下である、請求項２又は請求項３に記載の超電導線材接続構造。
  5. 　前記接続部の熱抵抗は、１６℃／Ｗ以上である、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の超電導線材接続構造。
  6. 　前記超電導層を構成している酸化物超電導体の結晶粒のｃ軸方向は、前記超電導層の厚さ方向に沿っており、
    　前記超電導線材接続構造に２００Ａの電流が流れている際の前記接続部にある前記超電導層の前記ｃ軸方向における電流密度は、５０Ａ／ｍｍ２以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導線材接続構造。
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