JP6438342B2 - Superconducting wire and connection structure of superconducting wire - Google Patents
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Description
本発明は、超電導線材に関し、より特定的には、超電導材料部を含む本体部と、超電導材料部を含む本体部を機械的に補強する補強部とを備える超電導線材に関する。 The present invention relates to a superconducting wire, and more particularly to a superconducting wire including a main body portion including a superconducting material portion and a reinforcing portion that mechanically reinforces the main body portion including the superconducting material portion.
超電導材料を線材に適用するに当たり、超電導材料部を含む本体部を機械的に補強する必要がある。超電導材料部を含む本体部と、超電導材料部を含む本体部を機械的に補強する補強部とを備える超電導線材が知られている(特許文献1から特許文献3を参照)。 In applying the superconducting material to the wire, it is necessary to mechanically reinforce the main body including the superconducting material. There is known a superconducting wire including a main body part including a superconducting material part and a reinforcing part for mechanically reinforcing the main body part including the superconducting material part (see Patent Documents 1 to 3).
顧客の様々な要望に応じて、超電導線材を構成する構成要素(例えば、超電導材料部、補強部)の材料、厚さなどが異なる超電導線材を準備する必要がある。そのため、顧客が求める超電導線材の様々な仕様に応じて、超電導線材を構成する構成要素の材料、厚さなどを設計しなければならない。 It is necessary to prepare superconducting wires having different materials, thicknesses, and the like of components (for example, a superconducting material portion and a reinforcing portion) constituting the superconducting wire according to various demands of customers. Therefore, it is necessary to design the material, thickness, etc. of the components constituting the superconducting wire according to various specifications of the superconducting wire required by the customer.
従来は、超電導線材の補強部に対する様々な要求に応じて、その都度、様々な材料の中から超電導線材の補強部に適した材料を探索していた。しかし、超電導線材の補強部に対する様々な要求に応じて、その都度、様々な材料の中から超電導線材の補強部に適した材料を探索することは、手間がかかる。 Conventionally, in response to various requirements for the reinforcing portion of the superconducting wire, a material suitable for the reinforcing portion of the superconducting wire has been searched from various materials each time. However, in accordance with various requirements for the reinforcing portion of the superconducting wire, it is troublesome to search for a material suitable for the reinforcing portion of the superconducting wire from various materials each time.
また、超電導線材の補強部に対する要求に適した材料が見つからないため、超電導線材の一部の特性を犠牲にするように超電導線材の設計を見直さなければならないこともあった。そのため、超電導線材の設計の自由度が制約されていた。 In addition, since a material suitable for the requirement for the reinforcing portion of the superconducting wire cannot be found, the design of the superconducting wire has to be reviewed so as to sacrifice some characteristics of the superconducting wire. For this reason, the degree of freedom in designing the superconducting wire has been limited.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、超電導線材の補強部に適した材料を探索する手間を減らし、超電導線材の設計の自由度を高めることである。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to reduce the effort for searching for a material suitable for the reinforcing portion of the superconducting wire and to increase the degree of freedom in designing the superconducting wire. is there.
本発明の一態様に係る超電導線材は、超電導材料部を含む本体部と、超電導材料部を含む本体部を機械的に補強する補強部とを備える。補強部は、銅または銅含有合金からなる第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される。本明細書において、非固溶性銅系合金は、銅または銅含有合金からなる第1の材料に、第1の材料と異なる第2の材料が固溶しない合金をいう。本明細書において、銅含有合金とは、銅と他の元素を含む合金をいい、他の元素は銅に固溶してもよいし、固溶しなくてもよい。本明細書において、非固溶性銅系合金から実質的に構成されるとは、非固溶性銅系合金に加えて、不可避不純物を含んでもよいことを意味する。 A superconducting wire according to an aspect of the present invention includes a main body portion including a superconducting material portion and a reinforcing portion that mechanically reinforces the main body portion including the superconducting material portion. The reinforcing portion is substantially composed of a non-solid-soluble copper-based alloy made of a first material made of copper or a copper-containing alloy and a second material different from the first material. In the present specification, the non-solid-soluble copper-based alloy refers to an alloy in which a second material different from the first material is not dissolved in the first material made of copper or a copper-containing alloy. In this specification, the copper-containing alloy refers to an alloy containing copper and other elements, and the other elements may or may not dissolve in copper. In this specification, being substantially composed of a non-solid-soluble copper-based alloy means that inevitable impurities may be included in addition to the non-solid-soluble copper-based alloy.
上記によれば、超電導線材の補強部に適した材料を探索する手間を減らし、超電導線材の設計の自由度を高めることができる。 According to the above, it is possible to reduce time and labor for searching for a material suitable for the reinforcing portion of the superconducting wire, and to increase the degree of freedom in designing the superconducting wire.
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described.
(1)本発明の一態様に係る超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)は、超電導材料部(4,24)を含む本体部(7,27)と、超電導材料部(4,24)を含む本体部(7,27)を機械的に補強する補強部(2,18,18a,18b)とを備える。補強部(2,18,18a,18b)は、銅または銅含有合金からなる第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される。 (1) A superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) according to an aspect of the present invention includes a main body part (7, 27) including a superconducting material part (4, 24), a superconducting material part ( 4 and 24) and a reinforcing part (2, 18, 18a, 18b) for mechanically reinforcing the main body part (7, 27). The reinforcing portion (2, 18, 18a, 18b) is substantially composed of a non-solid-soluble copper-based alloy made of a first material made of copper or a copper-containing alloy and a second material different from the first material. Is done.
非固溶性銅系合金では、第1の材料と第2の材料とが互いに固溶しない。そのため、非固溶性銅系合金に含まれる第1の材料の割合または第2の材料の割合に応じて、非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強部(2,18,18a,18b)の物性を連続的に変化させることができる。補強部(2,18,18a,18b)に含まれる第1の材料の割合または第2の材料の割合を変化させるだけで、超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)の補強部(2,18,18a,18b)に対する様々な要求に対応することができる。したがって、超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)の補強部(2,18,18a,18b)に対する様々な要求に応じて、その都度、様々な材料の中から補強部(2,18,18a,18b)に適した材料を探索する手間を減らすことができる。また、超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)の設計の自由度を高めることができる。 In the non-solid soluble copper-based alloy, the first material and the second material do not form a solid solution with each other. Therefore, depending on the ratio of the first material or the ratio of the second material contained in the non-solid-soluble copper-based alloy, the reinforcing portion (2, 18, 18a, The physical properties of 18b) can be continuously changed. Reinforcing the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) only by changing the ratio of the first material or the second material contained in the reinforcing portion (2, 18, 18a, 18b). Various requests for the parts (2, 18, 18a, 18b) can be met. Therefore, in accordance with various requirements for the reinforcing portion (2, 18, 18a, 18b) of the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b), the reinforcing portion (2 , 18, 18a, 18b) can be saved. Moreover, the freedom degree of design of a superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) can be raised.
(2)本発明の一態様に係る超電導線材(1,10,10b,20)では、超電導材料部(4)の熱膨張係数及び本体部(27)の熱膨張係数のいずれかと補強部(2,18,18a,18b)の熱膨張係数との差は、2.0×10-6/K以下であってもよい。これにより、超電導線材(1,10,10b)が反ることを抑制することができる。または、超電導線材(20)の本体部(27)に含まれる超電導材料部(24)に多くのクラックや欠陥が生じることを抑制することができる。 (2) In the superconducting wire (1, 10, 10b, 20) according to one aspect of the present invention, either the thermal expansion coefficient of the superconducting material part (4) or the thermal expansion coefficient of the main body part (27) and the reinforcing part (2 , 18, 18a, the difference between the thermal expansion coefficient of 18b) may be equal to or less than 2.0 × 10 -6 / K. Thereby, it can suppress that a superconducting wire (1, 10, 10b) warps. Or it can suppress that many cracks and defects arise in the superconducting material part (24) included in the main body part (27) of the superconducting wire (20).
(3)本発明の一態様に係る超電導線材(10,10b)では、本体部(7)を支持する基板(12)をさらに備え、補強部(18,18a)は、基板(12)と反対側の本体部(7)の上に設けられてもよい。これにより、超電導材料部(4)を含む本体部(7)を、基板(12)と補強部(18,18a)とで機械的に補強することができる。そのため、超電導線材(10,10b)の機械的強度を向上させることができる。 (3) The superconducting wire (10, 10b) according to one aspect of the present invention further includes a substrate (12) that supports the main body (7), and the reinforcing portion (18, 18a) is opposite to the substrate (12). It may be provided on the main body (7) on the side. Thereby, the main-body part (7) containing a superconducting material part (4) can be mechanically reinforced with a board | substrate (12) and a reinforcement part (18, 18a). Therefore, the mechanical strength of the superconducting wire (10, 10b) can be improved.
(4)本発明の一態様に係る超電導線材(10,10b)では、基板(12)の熱膨張係数と補強体(18,18a)の熱膨張係数との差は、2.0×10-6/K以下であってもよい。これにより、超電導線材(10,10b)が反ることを抑制することができる。 (4) In the superconducting wire (10, 10b) according to one aspect of the present invention, the difference between the thermal expansion coefficient of the substrate (12) and the thermal expansion coefficient of the reinforcing body (18, 18a) is 2.0 × 10 −. It may be 6 / K or less. Thereby, it can suppress that a superconducting wire (10, 10b) warps.
(5)本発明の一態様に係る超電導線材(10b,20,20a,20b)では、補強部(18,18a)は、本体部(7,27)の2つの主面(7a,7b,27a,27b)の上に設けられてもよい。これにより、超電導線材(10b,20,20a,20b)が反ることを抑制することができる。 (5) In the superconducting wire (10b, 20, 20a, 20b) according to one aspect of the present invention, the reinforcing portion (18, 18a) is composed of the two main surfaces (7a, 7b, 27a) of the main body portion (7, 27). 27b). Thereby, it can suppress that a superconducting wire (10b, 20, 20a, 20b) warps.
(6)本発明の一態様に係る超電導線材(20)では、補強部(18a,18b)は、超電導材料部(24)を含む本体部(27)に圧縮応力を印加するように構成されてもよい。これにより、超電導線材(20)の機械的強度を向上させることができる。 (6) In the superconducting wire (20) according to one aspect of the present invention, the reinforcing portions (18a, 18b) are configured to apply compressive stress to the main body portion (27) including the superconducting material portion (24). Also good. Thereby, the mechanical strength of the superconducting wire (20) can be improved.
(7)本発明の一態様に係る超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)では、補強部(2,18,18a,18b)のヤング率は、150GPa以上であってもよい。これにより、超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)の機械的強度を向上させることができる。 (7) In the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) according to one aspect of the present invention, the Young's modulus of the reinforcing portion (2, 18, 18a, 18b) may be 150 GPa or more. . Thereby, the mechanical strength of the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) can be improved.
(8)本発明の一態様に係る超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)では、第1の材料は、銅、黄銅、白銅、青銅からなる群より選ばれた少なくとも一種の材料で構成されてもよい。これらの材料は、液体窒素温度のような超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)の使用温度において、3.5×10-8(Ωm)以下のような低い抵抗率を有する。そのため、通常の導体から超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)に電流を導入するための通常の導体と超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)との接続部、及び超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)同士の接続部における発熱を抑えることができる。また、超電導材料部(4,24)にクエンチが発生した場合に超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)が溶断されることを防止することができる。 (8) In the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) according to one aspect of the present invention, the first material is at least one selected from the group consisting of copper, brass, bronze, and bronze. It may be made of a material. These materials have a low resistivity of 3.5 × 10 −8 (Ωm) or less at the use temperature of the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) such as liquid nitrogen temperature. . Therefore, the connection between the normal conductor and the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) for introducing current from the normal conductor to the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b). Heat generation at the connection portion between the superconducting wires and the superconducting wires (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) can be suppressed. Further, when quenching occurs in the superconducting material portion (4, 24), it is possible to prevent the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) from being blown out.
(9)本発明の一態様に係る超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)では、第2の材料は、第1の材料よりも大きなヤング率を有してもよい。そのため、超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)の機械的強度を向上させることができる。 (9) In the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) according to one aspect of the present invention, the second material may have a Young's modulus greater than that of the first material. Therefore, the mechanical strength of the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) can be improved.
(10)本発明の一態様に係る超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)では、第2の材料は、モリブデン、タングステン、クロム、コバルトからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素で構成されてもよい。これらの材料は、銅または銅含有合金からなる第1の材料よりも大きなヤング率を有する。そのため、超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)の機械的強度を向上させることができる。 (10) In the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) according to one aspect of the present invention, the second material is at least one selected from the group consisting of molybdenum, tungsten, chromium, and cobalt. You may be comprised with an element. These materials have a larger Young's modulus than the first material made of copper or a copper-containing alloy. Therefore, the mechanical strength of the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) can be improved.
(11)本発明の一態様に係る超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)では、補強部(2,18,18a,18b)の電気抵抗率は、液体窒素温度において、3.5×10-8(Ωm)以下であってもよい。これにより、通常の導体から超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)に電流を導入するための通常の導体と超電導線材との接続部、及び超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)同士の接続部における発熱を抑えることができる。また、超電導材料部(4,24)にクエンチが発生した場合に超電導線材(1,10,10b,20,20a,20b)が溶断されることを防止することができる。 (11) In the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) according to one aspect of the present invention, the electrical resistivity of the reinforcing portion (2, 18, 18a, 18b) is 3 at the liquid nitrogen temperature. It may be 5 × 10 −8 (Ωm) or less. Thereby, the connection part of a normal conductor and a superconducting wire for introducing a current from the normal conductor to the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b), and the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) can be prevented from generating heat at the connecting portion. Further, when quenching occurs in the superconducting material portion (4, 24), it is possible to prevent the superconducting wire (1, 10, 10b, 20, 20a, 20b) from being blown out.
(12)本発明の一態様に係る超電導線材の接続構造(30)は、3.5×10-8(Ωm)以下の電気抵抗率を有する補強部(18a,18b)を含む超電導線材(20a,20b)を複数備え、複数の超電導線材(20a,20b)の補強部(18a,18b)が互いに電気的及び機械的に接続されてもよい。複数の超電導線材(20a,20b)の補強部(18a,18b)を互いに電気的及び機械的に接続することによって、複数の超電導線材(20a,20b)の間の接続抵抗が低い超電導線材の接続構造(30)を得ることができる。 (12) A superconducting wire connecting structure (30) according to an aspect of the present invention includes a superconducting wire (20a) including reinforcing portions (18a, 18b) having an electrical resistivity of 3.5 × 10 −8 (Ωm) or less. , 20b), and the reinforcing portions (18a, 18b) of the plurality of superconducting wires (20a, 20b) may be electrically and mechanically connected to each other. Connection of the superconducting wires having low connection resistance between the plurality of superconducting wires (20a, 20b) by electrically and mechanically connecting the reinforcing portions (18a, 18b) of the plurality of superconducting wires (20a, 20b) to each other. The structure (30) can be obtained.
[本発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
(実施の形態1)
図1を参照して、実施の形態1に係る超電導線材1について説明する。
(Embodiment 1)
A superconducting wire 1 according to Embodiment 1 will be described with reference to FIG.
図1は、超電導線材1が延在する方向(長手方向)に交差する方向に切断した本実施の形態に係る超電導線材1の断面を示す。超電導材料層4の超電導電流は超電導線材1の長手方向に沿って流れる。図1に示されるように、超電導線材1の幅方向をx軸方向とし、長手方向をy軸方向とし、厚み方向をz軸方向とする。
FIG. 1 shows a cross section of superconducting wire 1 according to the present embodiment, cut in a direction intersecting with the direction (longitudinal direction) in which superconducting wire 1 extends. The superconducting current of the
図1を参照して、本実施の形態に係る超電導線材1は、長手方向の長さが厚み及び幅に比べて大きく、かつ、厚みに比べて幅が大きいテープ形状を有していてもよい。本明細書では、超電導線材の幅方向及び長手方向に延在する表面(xy平面)を主面と呼ぶ。 Referring to FIG. 1, superconducting wire 1 according to the present embodiment may have a tape shape in which the length in the longitudinal direction is larger than the thickness and the width, and the width is larger than the thickness. . In this specification, the surface (xy plane) extending in the width direction and the longitudinal direction of the superconducting wire is referred to as a main surface.
超電導線材1は、主に、基板2と、本体部7とを備える。本体部7は、中間層3と、超電導材料層4と、保護層5とを含んでもよい。中間層3と保護層5とは任意に設けられる。本体部7は、少なくとも超電導材料層4を含んでいればよい。本体部7は、第1の主面7aと、第1の主面7aとは反対側の第2の主面7bとを有する。
Superconducting wire 1 mainly includes a
基板2は、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に支持する。基板2は、超電導材料層4を含む本体部7よりも大きな厚さを有する。基板2は、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に補強する補強部として機能し得る。
The
基板2は、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される。非固溶性銅系合金は、銅または銅含有合金からなる第1の材料に、第1の材料と異なる第2の材料が固溶しない合金をいう。非固溶性銅系合金として、銅または銅含有合金からなる第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とが粉末合金法によって作製された、銅系の粉末合金を例示することができる。非固溶性銅系合金はその他の方法によって作製されてもよい。基板2が非固溶性銅系合金から実質的に構成されるとは、基板2は、非固溶性銅系合金に加えて、不可避不純物を含んでもよいことを意味する。
The board |
基板2に含まれる第1の材料は、銅、黄銅、青銅、白銅からなる群より選ばれた少なくとも一種の材料で構成されてもよい。基板2に含まれる第1の材料の一例である銅含有合金は、黄銅、青銅、白銅からなる群より選ばれた少なくとも一種の合金で構成されてもよい。本実施の形態では、基板2に含まれる第1の材料は、銅である。
The first material included in the
基板2に含まれる第2の材料は、弱磁性元素を含む非磁性元素であることが好ましい。なぜなら、基板2は超電導材料層4の近くに位置するため、基板2が強磁性を有すると、超電導線材1の臨界電流Icを大きくすることが困難になり得るからである。そのため、本実施の形態では、基板2に含まれる第2の材料は、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、コバルト(Co)からなる群より選ばれた少なくとも一種の元素で構成されてもよい。
The second material included in the
基板2の材料として、銅タングステン(CuW)の非固溶性銅系合金、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金、銅クロム(CuCr)の非固溶性銅系合金、銅コバルト(CuCo)の非固溶性銅系合金、黄銅タングステンの非固溶性銅系合金、黄銅モリブデンの非固溶性銅系合金、黄銅クロムの非固溶性銅系合金、黄銅コバルトの非固溶性銅系合金を例示することができる。
As a material of the
基板2は、例えば、30mm幅のテープ状を有していてもよい。基板2の厚みは目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は10μm〜500μmの範囲とすることができる。本実施の形態では、基板2の厚みは、100μmである。基板2は、非固溶性銅系合金からなる基板の表面が配向結晶化された配向基板であってもよい。配向基板とは、基板表面の面内の2方向(x方向及びy方向)について、結晶方位が揃っている基板を意味する。表面が配向結晶化された基板は、例えば、基板の表面に配向金属膜を貼り合わせることによって形成されてもよい。配向金属膜を構成する材料として、ニッケルタングステン(NiW)や銅(Cu)を例示することができるが、これらの材料に限定されない。配向金属膜を構成する材料として銅(Cu)を用いる場合には、配向基板を得た後の工程において配向金属膜を構成する銅(Cu)が酸化されることを防止するために、メッキなどの方法によって、配向金属膜を構成する銅(Cu)の表面にNi(ニッケル)等からなる被覆層を形成してもよい。
The
中間層3は、基板2の主面上に形成されてもよい。中間層3は、超電導材料層4との反応性が極めて低く、超電導材料層4の超電導特性を低下させないような材料を用いることができる。中間層3は、高温プロセスを利用して超電導材料層4を形成する際に、基板2から超電導材料層4へ金属原子が流出することを防止する材料を用いることができる。中間層3は、好ましくは、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、CeO2(酸化セリウム)、MgO(酸化マグネシウム)、Y2O3(酸化イットリウム)、Al2O3(酸化アルミニウム)、LaMnO3(酸化ランタンマンガン)およびSrTiO3(チタン酸ストロンチウム)の少なくとも一つから構成される。
The
中間層3は、複数の層により構成されてもよい。中間層3が複数の層により構成される場合、中間層3を構成するそれぞれの層は互いに異なる材料または一部が同じ材料により構成されてもよい。
The
中間層3の、基板2に対向する主面と反対側の主面(図1における上側の主面)上に、超電導材料層4が形成されてもよい。超電導材料層4は、超電導線材1のうち、超電導電流が流れる部分である。超電導材料層4は、本実施の形態における超電導材料部に相当する。本実施の形態では、超電導材料部である超電導材料層4は、超電導材料から実質的に構成される薄膜層である。
A
超電導材料層4に用いることのできる超電導材料は特に限定されない。超電導材料層4の材料として、RE−123系の酸化物超電導体を用いてもよい。RE−123系の酸化物超電導体とは、REBa2Cu3Oy(yは6〜8、より好ましくは6.8〜7、REとはイットリウム、またはGd、Sm、Hoなどの希土類元素である)として表される超電導体を意味する。本実施の形態では、RE−123系の酸化物超電導体として、YBa2Cu3Oy(YBCO;yは6〜8、より好ましくは6.8〜7)が用いられてもよい。
The superconducting material that can be used for the
臨界電流Icを向上させるために、超電導材料層4の厚みは0.5μm以上であることが好ましい。超電導材料層4の厚みの上限値は特に制限されるものではないが、生産性を考慮すると10μm以下が望ましい。
In order to improve the critical current I c , the thickness of the
超電導材料層4の、中間層3に対向する主面と反対側の主面(図1における上側の主面)上に、保護層5が形成されてもよい。保護層5は、超電導材料層4を保護する機能を有する。保護層5は銀(Ag)または銀合金からなる。保護層5の厚みは、好ましくは2μm以下であり、より好ましくは、0.05μm以上2μm以下である。
安定化層8が、本体部7を覆うように設けられてもよい。安定化層8は、少なくとも本体部7の第1の主面7aと本体部7の側面7cとを覆っていればよい。本実施の形態では、本体部7及び基板2の全周を覆うように、安定化層8が設けられている。
The
安定化層8は、良導電性の金属材料の箔またはめっき層などで構成される。安定化層8は、保護層5とともに、超電導材料層4が超電導状態から常電導状態に遷移する際に超電導材料層4の電流が転流するバイパスとして機能する。安定化層8はさらに、外力や水分などから本体部7を保護する機能を有する。安定化層8を構成する材料は、たとえば銅または銅合金が好ましい。安定化層8が保護層5および超電導材料層4を物理的に保護するために、安定化層8は、10μm以上500μm以下の厚みを有することが好ましい。
The
本実施の形態の超電導線材1の製造方法について説明する。
まず、基板2を準備する工程が実施される。具体的には、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される、基板2が準備される。基板2は、例えば、以下に述べる粉末冶金法によって製造され得る。第1の材料の粉末と、第2の材料の粉末とを混合する(混合工程)。次に、第1の材料の粉末と第2の材料の粉末とが混合された混合粉末を圧縮及び成形して成形品を作成する(成形工程)。その後、成形品を焼結して、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料と異なる非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2を得る(焼結工程)。
The manufacturing method of the superconducting wire 1 of this Embodiment is demonstrated.
First, a step of preparing the
次に、基板2上に中間層3を形成する工程が実施される。具体的には、基板2の主面上に中間層3が形成される。中間層3の形成方法としては、例えばスパッタ法などの物理蒸着法を用いることができる。基板2の表面が配向結晶化されていない場合には、イオンビームアシスト蒸着(IBAD)法によって、配向された中間層3が形成されてもよい。
Next, a step of forming the
次に、中間層3上に超電導材料層4を形成する工程が実施される。本実施の形態では、中間層3の基板2と対向する主面と反対側の主面(図1における中間層3の上側の主面)上に、RE−123系の酸化物超電導体を含む超電導材料層4を形成する。例えば、気相堆積法および液相堆積法、またはそれらの組合せにより、薄膜層である超電導材料層4を形成してもよい。気相堆積法としては、パルスレーザ蒸着法(PLD法)、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、有機金属化学気相堆積(MOCVD)法や分子線エピタキシー(MBE)法などを例示することができる。溶液を用いた堆積法として、有機金属堆積(MOD)法を例示することができる。これらの堆積法のうち少なくとも1つによって超電導材料層4を成膜すると、結晶配向性および表面平滑性に優れた表面を有する超電導材料層4を形成することができる。
Next, a step of forming the
次に、超電導材料層4上に保護層5を形成する工程が実施される。具体的には、超電導材料層4の中間層3と対向する主面と反対側の主面(図1における超電導材料層4の上側の主面)上に、銀(Ag)または銀合金からなる保護層5を形成する。保護層5は、例えば、スパッタなどの物理的蒸着法により形成してもよい。
Next, the process of forming the
その後、本体部7を酸素雰囲気下でアニールする工程が実施される。このアニール工程によって、超電導材料層4に酸素が導入される。以上の工程が実施されることにより、基板2の上に、中間層3と超電導材料層4と保護層5とを含む本体部7が形成される。
Thereafter, a step of annealing the
最後に、本体部7及び基板2を覆うように安定化層8を形成する工程が実施される。安定化層8は、少なくとも本体部7の第1の主面7aと本体部7の側面7cと側面を覆っていればよい。本実施の形態では、本体部7及び基板2の全周を覆うように、安定化層8が設けられている。例えば、めっき法、または、箔を貼り合せる方法により、安定化層8を本体部7及び基板2上に形成してもよい。
Finally, a step of forming the
なお、線材の幅を調整するために、保護層5を形成する工程と安定化層8を形成する工程との間に、本体部7及び基板2を細線に加工する工程を行ってもよい。本体部7及び基板2を細線に加工する工程では、本体部7及び基板2に、例えば機械スリット加工またはレーザスリット加工を施すことにより、本体部7及び基板2を所定の幅に細線化する。例えば、30mm幅の本体部7及び基板2を4mm幅の細線に加工して、1本の本体部7及び基板2から7本の細線化された本体部7及び基板2を得ることができる。
In addition, in order to adjust the width | variety of a wire, you may perform the process of processing the main-
以上の工程が実施されることにより、図1に示す実施の形態1に係る超電導線材1が製造される。 By carrying out the above steps, superconducting wire 1 according to Embodiment 1 shown in FIG. 1 is manufactured.
本実施の形態の作用及び効果について説明する。
本実施の形態では、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に補強する基板2(補強部)は、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される。この非固溶性銅系合金では、第1の材料と第2の材料とが互いに固溶しない。そのため、非固溶性銅系合金に含まれる第1の材料の割合または第2の材料の割合に応じて、非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2(補強部)の物性を連続的に変化させることができる。
The operation and effect of the present embodiment will be described.
In the present embodiment, the substrate 2 (reinforcing portion) that mechanically reinforces the
例えば、図2から図5に示すように、非固溶性銅系合金中の銅のモル分率に応じて、非固溶性銅系合金の熱膨張係数及びヤング率を連続的に変化させることができる。非固溶性銅系合金のうち銅を除いた部分は実質的に第2の材料から構成されている。そのため、非固溶性銅系合金中の第2の材料のモル分率に応じて、非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2の熱膨張係数及びヤング率を連続的に変化させることができる。
For example, as shown in FIGS. 2 to 5, the coefficient of thermal expansion and Young's modulus of the non-solid soluble copper-based alloy can be continuously changed according to the molar fraction of copper in the non-solid-soluble copper-based alloy. it can. A portion of the non-solid-soluble copper-based alloy excluding copper is substantially composed of the second material. Therefore, the thermal expansion coefficient and Young's modulus of the
図2は、非固溶性銅系合金である銅モリブデン(CuMo)中の銅のモル分率に対する、銅モリブデン(CuMo)の熱膨張係数の変化を示す図である。実線は、式(1)に基づく、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金の熱膨張係数の上限の目安を示す理論線である。点線は、式(2)に基づく、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金の熱膨張係数の下限の目安を示す理論線である。式(1)及び式(2)は、例えば、杉本孝一、外6名著、「材料組織学」、朝倉書店、1997年、p.164−171に基く。黒丸は、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金の熱膨張係数の実測値である。 FIG. 2 is a diagram showing a change in the thermal expansion coefficient of copper molybdenum (CuMo) with respect to the mole fraction of copper in copper molybdenum (CuMo), which is a non-solid-soluble copper-based alloy. The solid line is a theoretical line indicating a guideline for the upper limit of the thermal expansion coefficient of copper molybdenum (CuMo) insoluble copper based alloy based on the formula (1). A dotted line is a theoretical line which shows the standard of the minimum of the thermal expansion coefficient of the insoluble copper-type alloy of copper molybdenum (CuMo) based on Formula (2). Formulas (1) and (2) are described in, for example, Koichi Sugimoto and 6 other authors, “Material Histology”, Asakura Shoten, 1997, p. Based on 164-171. A black circle is an actual measurement value of the thermal expansion coefficient of a copper molybdenum (CuMo) insoluble copper-based alloy.
αuは、非固溶性合金の熱膨張係数の上限の理論線を表す。αLは、非固溶性合金の熱膨張係数の下限の理論線を表す。α1は、非固溶性合金に含まれる第1の材料の熱膨張係数を表す。α2は、非固溶性合金に含まれる第2の材料の熱膨張係数を表す。Vf1は、非固溶性合金に含まれる第1の材料のモル分率を表す。Vf2は、非固溶性合金に含まれる第2の材料のモル分率を表す。 α u represents the upper limit theoretical line of the thermal expansion coefficient of the non-solid alloy. α L represents the lower limit theoretical line of the thermal expansion coefficient of the non-solid alloy. α 1 represents the thermal expansion coefficient of the first material contained in the non-solid alloy. α 2 represents the thermal expansion coefficient of the second material contained in the non-solid alloy. V f1 represents the molar fraction of the first material contained in the non-solid alloy. V f2 represents the molar fraction of the second material contained in the non-solid solution alloy.
図3は、非固溶性銅系合金である銅モリブデン(CuMo)中の銅のモル分率に対する、銅モリブデン(CuMo)のヤング率の変化を示す図である。実線は、式(3)に基づく、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金のヤング率の上限の目安を示す理論線である。点線は、式(4)に基づく、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金のヤング率の下限の目安を示す理論線である。式(3)及び式(4)は、例えば、杉本孝一、外6名著、「材料組織学」、朝倉書店、1997年、p.164−171に基く。黒丸は、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金のヤング率の実測値である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a change in Young's modulus of copper molybdenum (CuMo) with respect to a mole fraction of copper in copper molybdenum (CuMo), which is a non-solid-soluble copper-based alloy. A solid line is a theoretical line which shows the standard of the upper limit of the Young's modulus of a copper molybdenum (CuMo) insoluble copper-based alloy based on Formula (3). A dotted line is a theoretical line which shows the standard of the lower limit of the Young's modulus of the insoluble copper-type alloy of copper molybdenum (CuMo) based on Formula (4). Expressions (3) and (4) are described in, for example, Koichi Sugimoto and 6 other authors, “Material Histology”, Asakura Shoten, 1997, p. Based on 164-171. A black circle is an actual measurement value of Young's modulus of a non-solid-soluble copper-based alloy of copper molybdenum (CuMo).
EUは、非固溶性合金のヤング率の上限の理論線を表す。ELは、非固溶性合金のヤング率の下限の理論線を表す。E1は、非固溶性合金に含まれる第1の材料のヤング率を表す。E2は、非固溶性合金に含まれる第2の材料のヤング率を表す。Vf1は、非固溶性合金に含まれる第1の材料のモル分率を表す。Vf2は、非固溶性合金に含まれる第2の材料のモル分率を表す。 E U represents the theoretical line of the upper limit of the Young's modulus of the non-solid solution alloy. E L represents the lower limit theoretical line of the Young's modulus of the non-solid alloy. E 1 represents the Young's modulus of the first material contained in the non-solid alloy. E 2 represents the Young's modulus of the second material contained in the non-solid alloy. V f1 represents the molar fraction of the first material contained in the non-solid alloy. V f2 represents the molar fraction of the second material contained in the non-solid solution alloy.
図2を参照して、実測値は、上限の理論線と下限の理論線との間の領域の近くに位置している。上限の理論線と下限の理論線とは、実測値と同様に、銅のモル分率が増加するにつれて、熱膨張係数が増加する傾向を示す。そのため、非固溶性銅系合金の熱膨張係数の上限及び下限の理論線は、非固溶性銅系合金中の銅のモル分率に対する非固溶性銅系合金の熱膨張係数のガイドとなり得る。図3を参照して、実測値は、上限の理論線と下限の理論線との間の領域の近くに位置している。上限の理論線と下限の理論線とは、実測値と同様に、銅のモル分率が増加するにつれて、ヤング率が減少する傾向を示す。そのため、非固溶性銅系合金のヤング率の上限及び下限の理論線は、非固溶性銅系合金中の銅又は銅合金のモル分率に対する非固溶性銅系合金のヤング率のガイドとなり得る。以上のように、理論線は、非固溶性銅系合金中の銅のモル分率に対する非固溶性銅系合金の物性値のガイドとなり得る。 Referring to FIG. 2, the actual measurement value is located in the vicinity of the region between the upper limit theoretical line and the lower limit theoretical line. The upper limit theoretical line and the lower limit theoretical line show a tendency for the coefficient of thermal expansion to increase as the molar fraction of copper increases, as in the actual measurement values. Therefore, the upper and lower theoretical lines of the coefficient of thermal expansion of the non-solid-soluble copper-based alloy can serve as a guide for the coefficient of thermal expansion of the non-solid-soluble copper-based alloy with respect to the mole fraction of copper in the non-solid-soluble copper-based alloy. Referring to FIG. 3, the actual measurement value is located near a region between the upper limit theoretical line and the lower limit theoretical line. The upper limit theoretical line and the lower limit theoretical line show a tendency for the Young's modulus to decrease as the molar fraction of copper increases, as in the actual measurement values. Therefore, the upper and lower theoretical lines of Young's modulus of the non-solid-soluble copper-based alloy can be a guide for the Young's modulus of the non-solid-soluble copper-based alloy relative to the molar fraction of copper or copper alloy in the non-solid-soluble copper-based alloy. . As described above, the theoretical line can serve as a guide for the physical property value of the non-solid-soluble copper-based alloy with respect to the mole fraction of copper in the non-solid-soluble copper-based alloy.
図1を参照して、超電導線材1は、本体部7の第2の主面7bの上にのみ基板2を有しており、本体部7の第1の主面7aの上に基板2を有していない。超電導線材1は、基板2及び本体部7の積層方向(z方向)について非対称な構造を有している。そのため、例えば、高温の製造プロセスを含む超電導線材1の製造工程が終了した後、超電導線材1を室温に冷却すると、超電導材料層4と基板2との大きな熱膨張係数の差によって、超電導線材1がその幅方向(x方向)に反ることがある。幅方向に反りを有する超電導線材1をコイル状に巻回すると、超電導線材1が、幅方向に折れてしまうことがある。特に、臨界電流Icを大きくするために超電導材料層4の膜厚を大きくするほど、超電導線材1は幅方向により大きく反ることがある。
Referring to FIG. 1, superconducting wire 1 has
基板2は、第1の材料に加えて、第1の材料に固溶せずかつ第1の材料と異なる第2の材料を含む。表1を参照して、基板2における第1の材料である銅の熱膨張係数は、YBCOから構成される超電導材料層4の熱膨張係数(13.0×10-6/K)よりも大きい。基板2における第2の材料(例えば、モリブデン)は、第1の材料(例えば、銅)及び超電導材料層4(例えば、YBCO)よりも小さな熱膨張係数を有する。そのため、基板2(補強部)における第2の材料(例えば、モリブデン)の割合を調節することによって、基板2(補強部)の熱膨張係数を超電導材料層4(超電導材料部)の熱膨張係数に近づけることができる。その結果、超電導線材1が反ることを抑制することができる。
In addition to the first material, the
図2を参照して、基板2において第1の材料である銅のモル分率を調節することにより、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2の熱膨張係数と、YBCOから構成される超電導材料層4の熱膨張係数(13.0×10-6/K)との差を、2.0×10-6/K以下、好ましくは、1.0×10-6/K以下、さらに好ましくは0.5×10-6/K以下にすることができる。さらに、基板2において第1の材料である銅のモル分率を調節することにより、基板2の熱膨張係数を超電導材料層4の熱膨張係数と等しくすることもできる。基板2の熱膨張係数と超電導材料層4の熱膨張係数との差を、2.0×10-6/K以下にすることにより、超電導線材1が反ることを抑制することができる。
Referring to FIG. 2, by adjusting the molar fraction of copper as the first material in
基板2は、第1の材料に加えて、第1の材料に固溶せずかつ第1の材料と異なる第2の材料を含む。表1を参照して、基板2における第2の材料であるモリブデンは、基板2における第1の材料である銅よりも大きなヤング率を有する。そのため、基板2における第2の材料であるモリブデンの割合を増加させることによって、基板2のヤング率を大きくすることができる。その結果、基板2(補強部)の機械的強度を向上させることができる。
In addition to the first material, the
図2及び図3を参照して、超電導線材1が反ることを抑制することができる、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2は、銅や銀のヤング率よりも大きく、ステンレス鋼(SUS)と同程度以上(150GPa以上)のヤング率を有する。そのため、超電導線材1が反ることを抑制することができる、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2は、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に補強する補強部として機能し得る。ステンレス鋼(SUS)と同程度以上のヤング率を有する基板2は、超電導線材1の機械的強度を向上させることができる。本明細書において、ステンレス鋼(SUS)と同程度のヤング率とは、ステンレス鋼(SUS)よりも約20%低いヤング率を意味し、より具体的には150GPaのヤング率を意味する。
Referring to FIGS. 2 and 3,
以上より、超電導線材1の反りを抑制することが基板2(補強部)に要求される場合には、基板2(補強部)の熱膨張係数と超電導材料層4(超電導材料部)の熱膨張係数との差が2.0×10-6/K以下になるように、基板2(補強部)に含まれる第1の材料(銅)の割合または第2の材料(モリブデン)の割合を調整することが好ましい。 From the above, when the substrate 2 (reinforcing portion) is required to suppress warping of the superconducting wire 1, the thermal expansion coefficient of the substrate 2 (reinforcing portion) and the thermal expansion of the superconducting material layer 4 (superconducting material portion). The ratio of the first material (copper) or the second material (molybdenum) contained in the substrate 2 (reinforcement part) is adjusted so that the difference from the coefficient is 2.0 × 10 −6 / K or less. It is preferable to do.
図4は、非固溶性銅系合金である銅タングステン(CuW)中の銅のモル分率に対する、銅タングステン(CuW)の熱膨張係数の変化を示す図である。実線は、式(1)に基づく、銅タングステン(CuW)の非固溶性銅系合金の熱膨張係数の上限の目安を示す理論線である。点線は、式(2)に基づく、銅タングステン(CuW)の非固溶性銅系合金の熱膨張係数の下限の目安を示す理論線である。既に述べたように、理論線は、非固溶性銅系合金中の銅のモル分率に対する非固溶性銅系合金の熱膨張係数のガイドとなり得る。 FIG. 4 is a diagram showing the change in the thermal expansion coefficient of copper tungsten (CuW) with respect to the molar fraction of copper in copper tungsten (CuW), which is a non-solid soluble copper-based alloy. The solid line is a theoretical line indicating a guideline of the upper limit of the thermal expansion coefficient of the copper tungsten (CuW) insoluble copper-based alloy based on the formula (1). A dotted line is a theoretical line which shows the standard of the minimum of the thermal expansion coefficient of the copper-tungsten (CuW) insoluble copper-type alloy based on Formula (2). As already mentioned, the theoretical line can be a guide for the coefficient of thermal expansion of the non-solid soluble copper-based alloy relative to the molar fraction of copper in the non-solid-soluble copper-based alloy.
図5は、非固溶性銅系合金である銅タングステン(CuW)中の銅のモル分率に対する、銅タングステン(CuW)のヤング率の変化を示す図である。実線は、式(3)に基づく、銅タングステン(CuW)の非固溶性銅系合金のヤング率の上限の目安を示す理論線である。点線は、式(4)に基づく、銅タングステン(CuW)の非固溶性銅系合金のヤング率の下限の目安を示す理論線である。既に述べたように、理論線は、非固溶性銅系合金中の銅のモル分率に対する非固溶性銅系合金のヤング率の変化のガイドとなり得る。 FIG. 5 is a diagram showing a change in Young's modulus of copper tungsten (CuW) with respect to a mole fraction of copper in copper tungsten (CuW) which is a non-solid-soluble copper-based alloy. The solid line is a theoretical line indicating a guideline for the upper limit of the Young's modulus of a copper-tungsten (CuW) insoluble copper-based alloy based on the equation (3). A dotted line is a theoretical line which shows the standard of the lower limit of the Young's modulus of the insoluble copper-type alloy of copper tungsten (CuW) based on Formula (4). As already stated, the theoretical line can be a guide for the change in Young's modulus of a non-solid soluble copper-based alloy relative to the molar fraction of copper in the non-solid-soluble copper-based alloy.
基板2は、第1の材料に加えて、第1の材料に固溶せずかつ第1の材料と異なる第2の材料を含む。表1を参照して、基板2における第1の材料である銅の熱膨張係数は、YBCOから構成される超電導材料層4の熱膨張係数(13.0×10-6/K)よりも大きい。基板2における第2の材料(例えば、タングステン)は、第1の材料(例えば、銅)及び超電導材料層4(例えば、YBCO)よりも小さな熱膨張係数を有する。そのため、基板2(補強部)における第2の材料(例えば、タングステン)の割合を調節することによって、基板2(補強部)の熱膨張係数を超電導材料層4(超電導材料部)の熱膨張係数に近づけることができる。その結果、超電導線材1が反ることを抑制することができる。
In addition to the first material, the
図4を参照して、基板2において第1の材料である銅のモル分率を調節することにより、銅タングステン(CuW)の非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2の熱膨張係数と、YBCOから構成される超電導材料層4の熱膨張係数(13.0×10-6(/K))との差を、2.0×10-6/K以下、好ましくは、1.0×10-6/K以下、さらに好ましくは0.5×10-6/K以下にすることができる。さらに、基板2において第1の材料である銅のモル分率を調節することにより、基板2の熱膨張係数を超電導材料層4の熱膨張係数と等しくすることもできる。基板2の熱膨張係数と超電導材料層4の熱膨張係数との差を、2.0×10-6/K以下にすることにより、超電導線材1が反ることを抑制することができる。
Referring to FIG. 4, by adjusting the molar fraction of copper, which is the first material, in
基板2は、第1の材料に加えて、第1の材料に固溶せずかつ第1の材料と異なる第2の材料を含む。表1を参照して、基板2における第2の材料であるタングステンは、基板2における第1の材料である銅よりも大きなヤング率を有する。そのため、基板2における第2の材料であるタングステンの割合を増加させることによって、基板2のヤング率を大きくすることができる。その結果、基板2の機械的強度を向上させることができる。
In addition to the first material, the
図4及び図5を参照して、超電導線材1が反ることを抑制することができる、銅タングステン(CuW)の非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2は、銅や銀のヤング率よりも大きく、ステンレス鋼(SUS)と同程度以上(150GPa以上)のヤング率を有する。そのため、超電導線材1が反ることを抑制することができる、銅タングステン(CuW)の非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2は、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に補強する補強部として機能し得る。ステンレス鋼(SUS)と同程度以上のヤング率を有する基板2は、超電導線材1の機械的強度を向上させることができる。
Referring to FIGS. 4 and 5,
以上より、超電導線材1の反りを抑制することが基板2(補強部)に要求される場合には、基板2(補強部)の熱膨張係数と超電導材料層4(超電導材料部)の熱膨張係数との差が2.0×10-6/K以下になるように、基板2(補強部)に含まれる第1の材料(銅)の割合または第2の材料(タングステン)の割合を調整することが好ましい。 From the above, when the substrate 2 (reinforcing portion) is required to suppress warping of the superconducting wire 1, the thermal expansion coefficient of the substrate 2 (reinforcing portion) and the thermal expansion of the superconducting material layer 4 (superconducting material portion). The ratio of the first material (copper) or the second material (tungsten) contained in the substrate 2 (reinforcing part) is adjusted so that the difference from the coefficient is 2.0 × 10 −6 / K or less. It is preferable to do.
表1を参照して、クロム及びコバルトも、タングステン及びモリブデンと同様に、第1の材料である銅または黄銅のような銅合金よりも小さな熱膨張係数を有するとともに、銅または黄銅のような銅合金よりも大きなヤング率を有する。そのため、クロムまたはコバルトからなる第2の材料を含む非固溶性銅系合金も、図2から図5に示されるモリブデンまたはタングステンからなる第2の材料を含む非固溶性銅系合金と同様の傾向を示すことは明らかである。したがって、クロムまたはコバルトからなる第2の材料を含む非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2を用いることによって、超電導線材1が反ることを抑制することができることは明らかである。また、超電導線材1が反ることを抑制することができる、クロムまたはコバルトからなる第2の材料を含む非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2は、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に補強する補強部として機能し得ることは明らかである。
Referring to Table 1, chromium and cobalt, like tungsten and molybdenum, have a smaller thermal expansion coefficient than the first material copper alloy such as copper or brass, and copper such as copper or brass. Has a higher Young's modulus than the alloy. Therefore, the non-solid-soluble copper-based alloy containing the second material made of chromium or cobalt also has the same tendency as the non-solid-soluble copper-based alloy containing the second material made of molybdenum or tungsten shown in FIGS. It is clear that Therefore, it is clear that the superconducting wire 1 can be prevented from warping by using the
以上のとおり、非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2(補強部)の特性(例えば、ヤング率、熱膨張係数)を、非固溶性銅系合金に含まれる銅または銅含有合金からなる第1の材料の割合または非固溶性銅系合金に含まれる第2の材料の割合(例えば、モル分率)を変化させるだけで、連続的に変化させることができる。そのため、本実施の形態の超電導線材1では、非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2において非固溶性銅系合金に含まれる第1の材料の割合または非固溶性銅系合金に含まれる第2の材料の割合を変化させるだけで、超電導線材1の基板2(補強部)に対する様々な要求(例えば、超電導線材1の反りを抑制するという要求)に対応し得る基板2(補強部)を得ることができる。したがって、超電導線材1の基板2(補強部)に対する様々な要求に応じて、超電導線材1の基板2(補強部)に適した材料を探索する手間を減らすことができ、超電導線材1の設計の自由度を高めることができる。
As described above, the characteristics (for example, Young's modulus, thermal expansion coefficient) of the substrate 2 (reinforcing portion) substantially composed of the non-solid-soluble copper-based alloy are the same as those contained in the non-solid-soluble copper-based alloy. By changing only the ratio of the first material made of the alloy or the ratio of the second material contained in the non-solid-soluble copper-based alloy (for example, the molar fraction), it can be continuously changed. Therefore, in the superconducting wire 1 of the present embodiment, the ratio of the first material contained in the non-solid-soluble copper-based alloy or the non-solid-soluble copper-based alloy in the
本実施の形態の超電導線材1では、基板2(補強部)に含まれる第2の材料は、基板2に含まれる銅または銅含有合金からなる第1の材料に固溶しない。そのため、式(5)に基く上限の理論線と、式(6)に基く下限の理論線とが、銅または銅含有合金からなる第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金中の第1の材料のモル分率に対する、非固溶性銅系合金の電気抵抗率のガイドとなり得る。式(5)及び式(6)は、例えば、杉本孝一、外6名著、「材料組織学」、朝倉書店、1997年、p.164−171に基く。
In the superconducting wire 1 of the present embodiment, the second material contained in the substrate 2 (reinforcing part) does not dissolve in the first material made of copper or a copper-containing alloy contained in the
ρUは、非固溶性合金の電気抵抗率の上限の理論線を表す。ρLは、非固溶性合金の電気抵抗率の下限の理論線を表す。ρ1は、非固溶性合金に含まれる第1の材料の電気抵抗率を表す。ρ2は、非固溶性合金に含まれる第2の材料の電気抵抗率を表す。Vf1は、非固溶性合金に含まれる第1の材料のモル分率を表す。Vf2は、非固溶性合金に含まれる第2の材料のモル分率を表す。 ρ U represents the upper limit theoretical line of the electrical resistivity of the non-solid alloy. ρ L represents the lower limit theoretical line of the electrical resistivity of the non-solid alloy. ρ 1 represents the electrical resistivity of the first material included in the non-solid alloy. ρ 2 represents the electrical resistivity of the second material contained in the non-solid alloy. V f1 represents the molar fraction of the first material contained in the non-solid alloy. V f2 represents the molar fraction of the second material contained in the non-solid solution alloy.
式(5)及び式(6)から、銅または銅含有合金からなる第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板2(補強部)の電気抵抗率は、第1の材料の電気抵抗率と第2の材料の電気抵抗率との間の値を有する。 From Formula (5) and Formula (6), it is substantially comprised from the non-solid-solution copper-type alloy which consists of a 1st material which consists of copper or a copper containing alloy, and a 2nd material different from a 1st material. The electrical resistivity of the substrate 2 (reinforcing portion) has a value between the electrical resistivity of the first material and the electrical resistivity of the second material.
本実施の形態の超電導線材1では、基板2(補強部)の第1の材料は、銅または銅含有合金からなる。基板2(補強部)の第2の材料として、モリブデン、タングステン、クロム、及びコバルトを例示することができる。表2を参照して、超電導線材1の使用温度(例えば液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。そのため、本実施の形態では、基板2(補強部)の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。 In the superconducting wire 1 of the present embodiment, the first material of the substrate 2 (reinforcing portion) is made of copper or a copper-containing alloy. As a 2nd material of the board | substrate 2 (reinforcement part), molybdenum, tungsten, chromium, and cobalt can be illustrated. Referring to Table 2, the electrical resistivity of the first material and the second material is 3.5 × 10 −8 (Ωm) or less at the operating temperature of the superconducting wire 1 (for example, liquid nitrogen temperature of 77K). It is. Therefore, in the present embodiment, the electrical resistivity of the substrate 2 (reinforcing portion) is 3.5 × 10 −8 (Ωm) or less.
表2を参照して、超電導線材1の使用温度(例えば液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の基板の電気抵抗率の10分の1より低い。そのため、超電導線材1の使用温度(例えば液体窒素温度である77K)において、本実施の形態の基板2(補強部)は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の基板よりも低い電気抵抗率を有する。本実施の形態の超電導線材1によれば、通常の導体から超電導線材1に電流を導入するための通常の導体と超電導線材との接続部、及び超電導線材1同士の接続部における発熱を抑えることができる。また、本実施の形態の超電導線材1によれば、超電導材料層4にクエンチ(超電導状態が突然破れて常伝導状態になる現象)が発生した場合に、超電導線材1が溶断されることを防止することができる。 Referring to Table 2, at the operating temperature of superconducting wire 1 (for example, 77 K which is a liquid nitrogen temperature), the electrical resistivity of the first material and the second material is a stainless steel (SUS) substrate as a comparative example. The electrical resistivity is lower than 1/10. Therefore, at the operating temperature of the superconducting wire 1 (for example, 77 K which is a liquid nitrogen temperature), the substrate 2 (reinforcing portion) of the present embodiment has a lower electrical resistivity than the stainless steel (SUS) substrate which is a comparative example. Have. According to the superconducting wire 1 of the present embodiment, the heat generation at the connecting portion between the normal conductor and the superconducting wire for introducing current from the normal conductor to the superconducting wire 1 and the connecting portion between the superconducting wires 1 is suppressed. Can do. Moreover, according to the superconducting wire 1 of the present embodiment, the superconducting wire 1 is prevented from being melted when a quench occurs in the superconducting material layer 4 (a phenomenon in which the superconducting state suddenly breaks and becomes a normal conducting state). can do.
(実施の形態2)
図6を参照して、実施の形態2に係る超電導線材10について説明する。実施の形態2の超電導線材10は、基本的には、図1に示す実施の形態1の超電導線材1と同様の構成を備えるが、主に以下の点で異なる。
(Embodiment 2)
With reference to FIG. 6,
本実施の形態の超電導線材10は、基板12と、本体部7と、補強体18を含む補強部とを備える。
本実施の形態では、基板12として、例えば、ハステロイのようなニッケル合金または銀合金などからなる基板が用いられている。基板12として、ステンレスや、実施の形態1における非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板を用いてもよい。
In the present embodiment, as the
本体部7は、中間層3と、超電導材料層4と、保護層5とを含んでもよい。本体部7は、第1の主面7aと、第1の主面7aと反対側の第2の主面7bと、側面7cとを有する。本体部7は、少なくとも超電導材料層4を含んでいればよい。中間層3は任意に設けられる。本体部7は、超電導材料層4上に保護層5を含んでもよい。保護層5は、超電導材料層4を保護し、さらに、半田層などの接合部16による補強体18と超電導材料層4との接着性を向上させる機能を有してもよい。保護層5は、銀(Ag)または銀合金から構成されてもよい。
The
本実施の形態の超電導線材10は、実施の形態1の安定化層8を備えていない。なお、本実施の形態の変形例として、実施の形態1の安定化層8のように、少なくとも本体部7の第1の主面7aおよび側面7cを覆う安定化層が設けられてもよい。
補強体18は、本体部7の基板2側の第2の主面7bとの反対側の主面である、本体部7の第1の主面7a上に設けられている。補強体18は、超電導材料層4の基板2と反対側の主面上に設けられている。補強体18は、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される。補強体18は、ステンレス鋼(SUS)と同程度(150GPa以上)以上のヤング率を有するため、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に補強する補強部として機能し得る。補強体18は、超電導線材10の長手方向に沿って配置されている。補強体18は、本体部7よりも大きな厚さを有してもよい。補強体18は、基板12よりも大きな厚さを有してもよい。
The reinforcing
補強体18は、半田層などの接合部16によって、本体部7に接合される。保護層5及び接合部16は、さらに本体部7の側面7cに設けられてもよい。保護層5及び接合部16は、本体部7及び基板12の全周を覆うように設けられてもよい。
The reinforcing
本実施の形態の作用及び効果について説明する。
超電導材料層4の熱膨張係数と基板12の熱膨張係数が異なると、超電導線材を使用温度(例えば、液体窒素温度である77K)に冷却する際に、超電導線材の長手方向に超電導線材が反ることがある。本実施の形態では、補強体18は、超電導材料層4の基板2と反対側の主面上に設けられている。本実施の形態の超電導線材10は、補強体18を有しない超電導線材よりも、基板12、本体部7、及び補強体18の積層方向(z方向)に沿う方向に沿ってより対称な構造を有する。そのため、本実施の形態の超電導線材10によれば、超電導線材10が長手方向に反ることを抑制することができる。
The operation and effect of the present embodiment will be described.
If the thermal expansion coefficient of the
本実施の形態の超電導線材10では、補強体18は、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される。非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強体18(補強部)の物性(例えば、ヤング率、熱膨張係数)を、非固溶性銅系合金に含まれる第1の材料の割合または第2の材料の割合を変化させるだけで、連続的に変化させることができる(図2から図5を参照)。
In the
超電導線材10では、超電導材料層4を含む本体部7の厚さは、基板12の厚さ及び補強体18の厚さよりも十分小さい。そのため、補強体18(補強部)の熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差が、2.0×10-6/K以下、好ましくは1.0×10-6/K以下、さらに好ましくは0.5×10-6/K以下になるように、補強体18(補強部)に含まれる第1の材料の割合または第2の材料の割合を調節することによって、超電導線材10が長手方向に反ることを効果的に抑制することができる。
In the
表1を参照して、例えばハステロイから構成される基板12は、11.2×10-6/Kの熱膨張係数を有する。図2を参照して、第1の材料である銅のモル分率を調節することにより、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強体18の熱膨張係数と、ハステロイから構成される基板12の熱膨張係数(11.2×10-6/K)との差を、2.0×10-6/K以下、好ましくは1.0×10-6/K以下、さらに好ましくは0.5×10-6/K以下にすることができる。さらに、第1の材料である銅のモル分率を調節することにより、補強体18の熱膨張係数を基板12の熱膨張係数と等しくすることもできる。補強体18の熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差を、2.0×10-6/K以下、好ましくは1.0×10-6/K以下、さらに好ましくは0.5×10-6/K以下にすることにより、超電導線材10が長手方向に反ることを効果的に抑制することができる。
Referring to Table 1, a
図2及び図3を参照して、超電導線材10が反ることを抑制することができる、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強体18は、銅及び銀のヤング率よりも大きく、ステンレス鋼(SUS)と同程度以上(150GPa以上)のヤング率を有する。そのため、超電導線材10が長手方向に反ることを抑制することができる、銅モリブデン(CuMo)の非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強体18は、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に補強する補強部として機能し得る。
Referring to FIGS. 2 and 3, the reinforcing
以上より、超電導線材10が長手方向に反ることを効果的に抑制することが補強体18(補強部)に要求される場合には、基板12の熱膨張係数と補強体18(補強部)の熱膨張係数との差が2.0×10-6/K以下になるように、補強体18(補強部)に含まれる第1の材料(例えば、銅)の割合または第2の材料(例えば、モリブデン)の割合を調整することが好ましい。
From the above, when the reinforcing body 18 (reinforcing part) is required to effectively suppress the
さらに、本実施の形態の超電導線材10では、補強体18(補強部)と基板2とが、超電導材料層4(超電導材料部)を含む本体部7を機械的に補強する。そのため、本実施の形態の超電導線材10は、さらに向上された機械的強度を有する。また、本実施の形態の超電導線材10の基板12、本体部7、及び補強体18の積層方向(z方向)の中央面である中立線が、超電導材料層4に近づくため、超電導材料層4を外側にして超電導線材10を曲げる際に超電導材料層4に印加される引張応力が低減することができる。その結果、本実施の形態の超電導線材10は、さらに向上された曲げ強度を有する。
Furthermore, in
本実施の形態の超電導線材10では、補強体18(補強部)に含まれる非固溶性銅系合金の第1の材料の割合または第2の材料の割合を変化させるだけで、超電導線材10の補強体18(補強部)に対する様々な要求(例えば、超電導線材10が長手方向に反ることを抑制するとともに、機械的強度をさらに向上させるという要求)に対応し得る補強体18(補強部)を得ることができる。そのため、第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強体18(補強部)は、超電導線材10に対する様々な要求に応じて、超電導線材10の補強体18(補強部)に適した材料を探索する手間を減らすことができ、超電導線材10の設計の自由度を高めることができる。
In the
本実施の形態の超電導線材10では、補強体18(補強部)に含まれる第2の材料は、補強体18(補強部)に含まれる銅または銅含有合金からなる第1の材料に固溶しない。そのため、実施の形態1の基板2と同様に、本実施の形態の補強体18(補強部)の電気抵抗率は、第1の材料の電気抵抗率と第2の材料の電気抵抗率との間の値を有する。
In the
本実施の形態の超電導線材10では、補強体18(補強部)の第1の材料は、銅または銅含有合金からなる。補強体18(補強部)の第2の材料として、モリブデン、タングステン、クロム、及びコバルトを例示することができる。表2を参照して、超電導線材10の使用温度(例えば、液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。そのため、本実施の形態では、補強体18(補強部)の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。
In
表2を参照して、超電導線材10の使用温度(例えば、液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の補強体の電気抵抗率の10分の1より低い。そのため、本実施の形態の補強体18(補強部)は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の補強体よりも低い電気抵抗率を有する。本実施の形態の超電導線材10によれば、通常の導体から超電導線材10に電流を導入するための通常の導体と超電導線材との接続部、及び超電導線材10同士の接続部における発熱を抑えることができる。また、本実施の形態の超電導線材10によれば、超電導材料層4にクエンチが発生した場合に、超電導線材10が溶断されることを防止することができる。
Referring to Table 2, at the operating temperature of superconducting wire 10 (for example, 77 K which is a liquid nitrogen temperature), the electrical resistivity of the first material and the second material is that of stainless steel (SUS) as a comparative example. It is lower than 1/10 of the electrical resistivity of the reinforcing body. Therefore, the reinforcement body 18 (reinforcement part) of this Embodiment has an electrical resistivity lower than the reinforcement body of the stainless steel (SUS) which is a comparative example. According to the
(実施の形態3)
図7を参照して、実施の形態3に係る超電導線材10bについて説明する。実施の形態3の超電導線材10bは、基本的には、図6に示す実施の形態2の超電導線材10と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、主に以下の点で異なる。
(Embodiment 3)
With reference to FIG. 7, superconducting wire 10b according to
本実施の形態の超電導線材10bは、基板12と、本体部7と、第1の補強体18a及び第2の補強体18bを含む補強部とを備える。
The superconducting wire 10b of the present embodiment includes a
第1の補強体18aは、本体部7の第1の主面7a上に設けられている。第2の補強体18bは、本体部7の第2の主面7b上に設けられている。第2の補強体18bは、超電導材料層4の第1の補強体18aと反対側の主面上に設けられている。本実施の形態の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)は、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される。第1の補強体18a及び第2の補強体18bは、ステンレス鋼(SUS)と同程度以上(150GPa以上)のヤング率を有するため、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に補強する補強部として機能し得る。第1の補強体18aは、第2の補強体18bと、同じ厚さ及び同じ熱膨張係数を有してもよい。第1の補強体18a及び第2の補強体18bは、本体部7よりも大きな厚さを有してもよい。補強体18は、基板12よりも大きな厚さを有してもよい。
The first reinforcing
第1の補強体18aは、半田層などの接合部16によって、本体部17の第1の主面17a上に設けられてもよい。第2の補強体18bは、半田層などの接合部16によって、本体部17の第2の主面17b上に設けられてもよい。第2の補強体18bが本体部17の第2の主面17b上に設けられているとは、第2の補強体18bと本体部17との間に別の部材が介在してもよいことを意味する。具体的には、本体部17の第2の主面17b上に設けられた基板12の主面上に第2の補強体18bが設けられる。
The first reinforcing
本体部7は、超電導材料層4上に保護層5を含んでもよい。保護層5は、超電導材料層4を保護し、さらに、半田層などの接合部16による第1の補強体18aと超電導材料層4との接着性を向上させる機能を有してもよい。保護層5は、銀(Ag)または銀合金から構成されてもよい。半田層などの接合部16による第2の補強体18bと基板12との接着性を向上させるために、基板12の主面上に下地層15を形成し、下地層15の上に接合部16を設けるようにしてもよい。下地層15は、保護層5と同様に、銀(Ag)または銀合金から構成されてもよい。保護層5及び接合部16は、さらに本体部7の側面7cに設けられてもよい。保護層5及び接合部16は、本体部7及び基板12の全周を覆うように設けられてもよい。
The
基板12として、ステンレス鋼(SUS)、ハステロイ、実施の形態1における非固溶性銅系合金から実質的に構成される基板等が用いられ得る。
As the
本実施の形態の作用及び効果について説明する。
超電導材料層4の熱膨張係数と基板12の熱膨張係数が異なると、超電導線材を使用温度(例えば、液体窒素温度である77K)に冷却する際に、超電導線材の長手方向に超電導線材が反ることがある。本実施の形態では、第2の補強体18bは、超電導材料層4の第1の補強体18aと反対側の主面上に設けられている。本実施の形態の超電導線材10bでは、第1の補強体18a、本体部7、基板12、及び第2の補強体18bの積層方向(z方向)の中央面である中立線が、超電導材料層4に近づき、本実施の形態の超電導線材10bは、第1の補強体18a及び第2の補強体18bを有しない超電導線材よりも、第1の補強体18a、本体部7、基板12、及び第2の補強体18bの積層方向(z方向)に沿う方向に沿ってさらに対称な構造を有する。そのため、本実施の形態の超電導線材10bによれば、超電導線材10bが長手方向に反ることを抑制することができる。
The operation and effect of the present embodiment will be described.
If the thermal expansion coefficient of the
実施の形態2の超電導線材10と同様に、本実施の形態の超電導線材10bにおいて、第1の補強体18aの熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差、及び、第2の補強体18bの熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差が、2.0×10-6/K以下、好ましくは1.0×10-6/K以下、さらに好ましくは0.5×10-6/K以下となるように、非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)に含まれる第1の材料の割合または第2の材料の割合を調整してもよい。このため、超電導線材10bが長手方向に反ることを効果的に抑制することができる。
Similar to the
また、本実施の形態の超電導線材10bでは、第2の補強体18bは、超電導材料層4の第1の補強体18aと反対側の主面上に設けられている。第1の補強体18aは、第2の補強体18bと、同じ厚さを有してもよい。第1の補強体18aの熱膨張係数と第2の補強体18bの熱膨張係数との差が、2.0×10-6/K以下、好ましくは1.0×10-6/K以下、さらに好ましくは0.5×10-6/K以下であってもよい。第1の補強体18aは、第2の補強体18bと、同じ熱膨張係数を有してもよい。本実施の形態の超電導線材10bでは、第1の補強体18a、本体部7、基板12、及び第2の補強体18bの積層方向(z方向)の中央面である中立線が、超電導材料層4に近づき、本実施の形態の超電導線材10bは、第1の補強体18a、本体部7、基板12、及び第2の補強体18bの積層方向(z方向)に沿う方向に沿ってさらに対称な構造を有する。第1の補強体18aの熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差に起因する超電導線材10bの長手方向の反りは、第2の補強体18bの熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差に起因する超電導線材10bの長手方向の反りによって打ち消される。そのため、本実施の形態の超電導線材10bによれば、第1の補強体18aの熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差、及び第2の補強体18bの熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差が、2.0×10-6/Kよりも大きくても、超電導線材10bが長手方向に反ることを抑制することができる。
In the superconducting wire 10b of the present embodiment, the second reinforcing
以上のように、第1の補強体18aの熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差、及び第2の補強体18bの熱膨張係数と基板12の熱膨張係数との差が、2.0×10-6/Kよりも大きくてもよい。そのため、第1の補強体18a及び第2の補強体18bは、150GPa以上、好ましくは182GPa以上、さらに好ましくは205GPa以上のヤング率を有するように、非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)に含まれる第1の材料の割合または第2の材料の割合を調整して、超電導線材10bの機械的強度をさらに向上させてもよい。
As described above, the difference between the thermal expansion coefficient of the first reinforcing
第1の実装例の超電導線材10bは、例えば、17.3×10-6/Kの熱膨張係数を有するステンレス鋼(SUS)の基板12と、第1の材料(Cu)のモル分率が例えば80%以下の銅モリブデン(CuMo)非固溶性銅系合金から実質的に構成される第1の補強体18a及び第2の補強体18bとを備える。図2及び図3に示されるように、第1の実装例の超電導線材10bによれば、超電導線材10bの反りを抑制することができるうえ、第1の補強体18a及び第2の補強体18bのヤング率をステンレス鋼(SUS)のヤング率よりも大きくすることができる。
The superconducting wire 10b of the first mounting example has, for example, a stainless steel (SUS)
第2の実装例の超電導線材10bは、例えば、11.2×10-6/Kの熱膨張係数を有するハステロイの基板12と、第1の材料(Cu)のモル分率が例えば50%以下の銅タングステン(CuW)非固溶性銅系合金から実質的に構成される第1の補強体18a及び第2の補強体18bとを備える。図4及び図5に示されるように、第1の実装例の超電導線材10bによれば、超電導線材10bの反りを抑制することができるうえ、第1の補強体18a及び第2の補強体18bのヤング率をハステロイのヤング率よりも大きくすることができる。
In the superconducting wire 10b of the second mounting example, for example, the molar fraction of the
第1の補強体18aと第2の補強体18bとのそれぞれが、本体部7の厚さと基板12の厚さとの和以上の厚さを有することが好ましい。第1の補強体18aと第2の補強体18bとのそれぞれが、本体部7の厚さと基板12の厚さとの和以上の厚さを有していると、超電導線材10bの反りに対する本体部7と基板12との寄与は小さくなり、さらに超電導線材10bが反ることをさらに効果的に抑制することができる。
Each of the first reinforcing
さらに、本実施の形態の超電導線材10bでは、第1の補強体18aと第2の補強体18bと基板2とが、超電導材料層4を含む本体部7を機械的に補強する。そのため、本実施の形態の超電導線材10bは、さらに向上された機械的強度を有する。
Furthermore, in the superconducting wire 10b of the present embodiment, the first reinforcing
本実施の形態の超電導線材10bでは、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)に含まれる非固溶性銅系合金の第1の材料の割合または第2の材料の割合を変化させるだけで、超電導線材10bの補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)に対する様々な要求(例えば、超電導線材10bが長手方向に反ることを抑制するとともに、超電導線材10bの機械的強度をさらに向上させるという要求)に対応し得る補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)を得ることができる。そのため、第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)は、超電導線材10bに対する様々な要求に応じて、超電導線材10bの補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)に適した材料を探索する手間を減らすことができ、超電導線材10bの設計の自由度を高めることができる。
In superconducting wire 10b of the present embodiment, the ratio of the first material or the ratio of the second material of the non-solid-soluble copper-based alloy contained in the reinforcing portion (first reinforcing
本実施の形態の超電導線材10bでは、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)に含まれる第2の材料は、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)に含まれる銅または銅含有合金からなる第1の材料に固溶しない。そのため、実施の形態2の補強部(補強体18)と同様に、本実施の形態の補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の電気抵抗率は、第1の材料の電気抵抗率と第2の材料の電気抵抗率との間の値を有する。
In the superconducting wire 10b of the present embodiment, the second material contained in the reinforcing portions (the first reinforcing
本実施の形態では、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の第1の材料は、銅または銅含有合金からなる。補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の第2の材料として、モリブデン、タングステン、クロム、及びコバルトを例示することができる。表2を参照して、超電導線材10bの使用温度(例えば液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。そのため、本実施の形態では、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。
In the present embodiment, the first material of the reinforcing portion (the first reinforcing
表2を参照して、超電導線材10bの使用温度(例えば液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の補強体の電気抵抗率の10分の1より低い。そのため、本実施の形態の補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の補強体よりも低い電気抵抗率を有する。本実施の形態の超電導線材10bによれば、通常の導体から超電導線材10bに電流を導入するための通常の導体と超電導線材との接続部、及び超電導線材10b同士の接続部における発熱を抑えることができる。また、本実施の形態の超電導線材10bによれば、超電導材料層4にクエンチが発生した場合に、超電導線材10bが溶断されることを防止することができる。
Referring to Table 2, at the operating temperature of superconducting wire 10b (for example, 77 K which is a liquid nitrogen temperature), the electrical resistivity of the first material and the second material is a reinforcement of stainless steel (SUS) as a comparative example. Lower than 1/10 of the body's electrical resistivity. Therefore, the reinforcement part (
(実施の形態4)
図8を参照して、実施の形態4に係る超電導線材20について説明する。本実施の形態の超電導線材20は、本体部27と、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)とを備える。本体部27は、超電導材24からなる超電導材料部と、超電導材24を被覆するシース部26とを含む。
(Embodiment 4)
A
超電導材24は、超電導線材20において、超電導電流が流れる部分である。本実施の形態では、超電導材24は、複数本の超電導フィラメントから構成されている。超電導材24は、1本の超電導フィラメントから構成されてもよい。超電導材24の材料として、ビスマス系の酸化物超電導体を例示することができる。ビスマス系の酸化物超電導体とは、Bi−Pb−Sr−Ca−Cu−O系の組成を有する超電導体を意味する。より特定的には、超電導材24の材料として、(ビスマスと鉛):ストロンチウム:カルシウム:銅の原子比がほぼ2:2:2:3の比率で近似して表されるBi2223相を含む材料を用いることができる。
The
シース部26は、超電導材24を埋め込む。シース部26は、超電導線材20の引張強度のような機械的強度を増加させるとともに、超電導線材20に可撓性を付与する。シース部26は、さらに、半田層などの接合部16による、第1の補強体18aと本体部27との接着性及び第2の補強体18bと本体部27との接着性を向上させる機能を有してもよい。シース部26の材料として、銀や銀合金を例示することができる。
The
補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)は、本体部27の第1の主面27aと第2の主面27bの少なくとも1つに設けられる。本実施の形態では、第1の補強体18aは、本体部27の第1の主面27a上に設けられ、第2の補強体18bは、本体部27の第2の主面27b上に設けられている。第2の補強体18bは、超電導材24を含む本体部27の第1の補強体18aと反対側の主面上に設けられている。本実施の形態の補強部(第1の補強体18aと第2の補強体18b)は、実施の形態3の補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)と同様に、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される。第1の補強体18aと第2の補強体18bとは、ステンレス鋼(SUS)と同程度以上(150GPa以上)のヤング率を有する。そのため、第1の補強体18aと第2の補強体18bとは、超電導材料層4を含む本体部27を機械的に補強する補強部として機能し得る。第1の補強体18aは、第2の補強体18bと、同じ厚さ及び同じ熱膨張係数を有してもよい。
The reinforcing portions (the first reinforcing
第1の補強体18a及び第2の補強体18bに含まれる第1の材料は、銅、黄銅、青銅、白銅からなる群より選ばれた少なくとも一種の材料で構成されてもよい。第1の補強体18a及び第2の補強体18bに含まれる第1の材料の一例である銅含有合金は、黄銅、青銅、白銅からなる群より選ばれた少なくとも一種の合金で構成されている。
The 1st material contained in the
補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)は、半田層などの接合部16によって、本体部27に接合されてもよい。具体的には、接合部16によって、本体部の第1の主面27a上に、第1の補強体18aが接合され、本体部の第2の主面27b上に、第2の補強体18bが接合されてもよい。半田層などの接合部16は、本体部27の側面27c上にも設けられてもよい。
The reinforcing portions (the first reinforcing
本実施の形態の超電導線材20の製造方法を説明する。
まず、超電導材24を有するテープ状の本体部27を準備する工程が実施される。具体的には、Bi、Pb、Sr、CaおよびCuが所定の組成比となるように、酸化物あるいは炭酸化物の原料粉を混合する。この混合粉に熱処理と粉砕とを繰り返すことにより、前駆体粉末が作製される。
A method for manufacturing the
First, a step of preparing a tape-shaped
次に、この前駆体粉末を金属管に充填する。その後、前駆体粉末が充填された金属管に対して伸線加工を行う。この伸線加工工程では、伸線加工と中間軟化処理とを繰り返し、前駆体フィラメントを芯材として金属管で被覆されたクラッド線を得る。 Next, the precursor powder is filled into a metal tube. Thereafter, wire drawing is performed on the metal tube filled with the precursor powder. In this wire drawing process, the wire drawing and the intermediate softening treatment are repeated to obtain a clad wire covered with a metal tube using the precursor filament as a core material.
次に、複数のクラッド線を束ねて再び金属管に嵌合する。これにより、たとえば55芯を有する多芯線が作製される。次に多芯線に対して伸線加工を施す。これにより、酸化物超電導体の前駆体粉末をシース部26で被覆した形態を有する線材が作製される。
Next, a plurality of clad wires are bundled and fitted again into the metal tube. Thereby, for example, a multi-core wire having 55 cores is produced. Next, the multifilamentary wire is drawn. Thereby, the wire which has the form which coat | covered the precursor powder of the oxide superconductor with the
その後、この多芯線に対して複数回の圧延加工と熱処理とを繰り返す。その結果、前駆体粉末が変化し、複数本の超電導フィラメントから構成される超電導材24となる。また、圧延加工により線材がテープ状となる。以上の工程により、超電導材24と、超電導材24を被覆するシース部26とを有するテープ状の本体部27が製造される。
Thereafter, a plurality of rolling processes and heat treatments are repeated for the multifilamentary wire. As a result, the precursor powder changes to become a
次に、補強体18を準備する工程が実施される。具体的には、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料に固溶することなく分散される第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強体18が準備される。補強体18は、例えば粉末冶金法などの実施の形態1の基板2と同様の方法によって製造され得る。
Next, a step of preparing the reinforcing
その後、本体部27の第1の主面27aと第2の主面27bの少なくとも1つに、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)を設ける工程が実施される。本体部27と補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)とを、半田層などの接合部16によって、接合する。以上の工程により、図8に示す超電導線材20が得られる。
Then, the process of providing the reinforcement part (the
次に、本実施の形態の作用及び効果について説明する。
本実施の形態の超電導線材20では、第1の補強体18aと第2の補強体18bとが、超電導材24を含む本体部27を機械的に補強する。そのため、本実施の形態の超電導線材20は、向上された機械的強度を有する。
Next, the operation and effect of the present embodiment will be described.
In the
本実施の形態では、超電導材料部(超電導材24)を含む本体部27を機械的に補強する補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)は、銅または銅含有合金を有する第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される。この非固溶性銅系合金では、第1の材料と第2の材料とが互いに固溶しない。そのため、非固溶性銅系合金に含まれる第1の材料の割合または第2の材料の割合に応じて、非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の物性を連続的に変化させることができる。
In the present embodiment, the reinforcing portions (for example, the first reinforcing
例えば、図2から図5に示すように、非固溶性銅系合金中の銅のモル分率に応じて、非固溶性銅系合金の熱膨張係数及びヤング率を連続的に変化させることができる。また、図9から図12に示すように、非固溶性銅系合金中の黄銅のモル分率に応じて、非固溶性銅系合金の熱膨張係数及びヤング率を連続的に変化させることができる。非固溶性銅系合金のうち銅または黄銅を除いた部分は実質的に第2の材料から構成されている。そのため、非固溶性銅系合金中の第2の材料のモル分率に応じて、非固溶性銅系合金の熱膨張係数及びヤング率を連続的に変化させることができる。 For example, as shown in FIGS. 2 to 5, the coefficient of thermal expansion and Young's modulus of the non-solid soluble copper-based alloy can be continuously changed according to the molar fraction of copper in the non-solid-soluble copper-based alloy. it can. Further, as shown in FIGS. 9 to 12, the thermal expansion coefficient and Young's modulus of the non-solid-soluble copper-based alloy can be continuously changed according to the molar fraction of brass in the non-solid-soluble copper-based alloy. it can. A portion of the non-solid-soluble copper-based alloy excluding copper or brass is substantially composed of the second material. Therefore, the thermal expansion coefficient and Young's modulus of the non-solid soluble copper-based alloy can be continuously changed according to the molar fraction of the second material in the non-solid-soluble copper-based alloy.
図9は、非固溶性銅系合金である黄銅モリブデン中の黄銅のモル分率に対する、黄銅モリブデンの熱膨張係数の変化を示す図である。実線は、式(1)に基づく、黄銅モリブデンの非固溶性銅系合金の熱膨張係数の上限の目安を示す理論線である。点線は、式(2)に基づく、黄銅モリブデンの非固溶性銅系合金の熱膨張係数の下限の目安を示す理論線である。 FIG. 9 is a diagram showing changes in the thermal expansion coefficient of brass molybdenum with respect to the molar fraction of brass in brass molybdenum, which is a non-solid-soluble copper-based alloy. The solid line is a theoretical line indicating a guideline for the upper limit of the thermal expansion coefficient of a non-solid-soluble copper-based alloy of brass molybdenum based on the formula (1). A dotted line is a theoretical line which shows the standard of the minimum of the thermal expansion coefficient of the non-soluble copper-type alloy of brass molybdenum based on Formula (2).
図10は、非固溶性銅系合金である黄銅モリブデン中の黄銅のモル分率に対する、黄銅モリブデンのヤング率の変化を示す図である。実線は、式(3)に基づく、黄銅モリブデンの非固溶性銅系合金のヤング率の上限の目安を示す理論線である。点線は、式(4)に基づく、黄銅モリブデンの非固溶性銅系合金のヤング率の下限の目安を示す理論線である。 FIG. 10 is a diagram showing a change in Young's modulus of brass molybdenum with respect to the mole fraction of brass in brass molybdenum which is a non-solid-soluble copper-based alloy. The solid line is a theoretical line indicating a guideline for the upper limit of the Young's modulus of a non-solid copper alloy of brass molybdenum based on the formula (3). A dotted line is a theoretical line which shows the standard of the lower limit of the Young's modulus of the non-solution-soluble copper-type alloy of brass molybdenum based on Formula (4).
図11は、非固溶性銅系合金である黄銅タングステン中の黄銅のモル分率に対する、黄銅タングステンの熱膨張係数の変化を示す図である。実線は、式(1)に基づく、黄銅タングステンの非固溶性銅系合金の熱膨張係数の上限の目安を示す理論線である。点線は、式(2)に基づく、黄銅タングステンの非固溶性銅系合金の熱膨張係数の下限の目安を示す理論線である。 FIG. 11 is a diagram showing a change in the thermal expansion coefficient of brass tungsten with respect to the molar fraction of brass in brass tungsten which is a non-solid-soluble copper-based alloy. The solid line is a theoretical line indicating a guideline for the upper limit of the thermal expansion coefficient of a non-solid copper-based alloy of brass tungsten based on the formula (1). A dotted line is a theoretical line which shows the standard of the minimum of the thermal expansion coefficient of the non-solution-soluble copper-type alloy of brass tungsten based on Formula (2).
図12は、非固溶性銅系合金である黄銅タングステン中の黄銅のモル分率に対する、黄銅タングステンのヤング率の変化を示す図である。実線は、式(3)に基づく、黄銅タングステンの非固溶性銅系合金のヤング率の上限の目安を示す理論線である。点線は、式(4)に基づく、黄銅タングステンの非固溶性銅系合金のヤング率の下限の目安を示す理論線である。 FIG. 12 is a diagram showing a change in Young's modulus of brass tungsten with respect to the mole fraction of brass in brass tungsten which is a non-solid-soluble copper-based alloy. The solid line is a theoretical line indicating a guideline for the upper limit of the Young's modulus of a non-solid-soluble copper-based alloy of brass tungsten based on the formula (3). A dotted line is a theoretical line which shows the standard of the minimum of the Young's modulus of the non-solution-soluble copper-type alloy of brass tungsten based on Formula (4).
既に述べたように、図2から図5、並びに図9から図12に示される理論線は、非固溶性銅系合金中の銅又は銅合金のモル分率に対する非固溶性銅系合金の物性値のガイドとなり得る。 As described above, the theoretical lines shown in FIGS. 2 to 5 and 9 to 12 show the physical properties of the non-solid-soluble copper-based alloy with respect to the molar fraction of copper or the copper alloy in the non-solid-soluble copper-based alloy. Can be a value guide.
本実施の形態の超電導線材20では、超電導材24として、Bi2223相を含む材料が用いられている。Bi2223相を含む材料は、セラミックスである。一般に、セラミックスは、圧縮応力に対して高い強度を有するが、引張応力に対して低い強度を有する。そこで、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)は、超電導材24を含む本体部27に圧縮応力を印加するように構成されてもよい。これにより、超電導線材20の機械的強度を向上させることができる。
In the
超電導材24を含む本体部27に圧縮応力を印加するように補強部を構成するために、例えば、補強部は超電導材24を含む本体部27よりも大きな熱膨張係数を有してもよい。補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)が超電導材24を含む本体部27よりも大きな熱膨張係数を有すると、超電導線材20が使用温度(例えば液体窒素温度である77K)に冷却される際に、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)が本体部27よりも縮む。そのため、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)によって、超電導材24を含む本体部27に圧縮応力を印加することができる。その結果、超電導線材20の機械的強度を向上させることができる。
In order to configure the reinforcing portion so as to apply a compressive stress to the
図2,図4,図9,図11を参照して、第1の材料である銅または黄銅のような銅合金のモル分率を調節することにより、銅モリブデン(CuMo)、銅タングステン(CuW)、黄銅モリブデン、または黄銅タングステンの非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の熱膨張係数を、Bi2223相を含む超電導材24を含む本体部27の熱膨張係数(12.6×10-6/K)よりも大きくすることができる。
Referring to FIG. 2, FIG. 4, FIG. 9, and FIG. 11, copper molybdenum (CuMo), copper tungsten (CuW) are adjusted by adjusting the molar fraction of the first material copper alloy such as copper or brass. ), The thermal expansion coefficient of the reinforcing portion (the first reinforcing
図2から図5、並びに図9から図12を参照して、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の熱膨張係数を超電導材24を含む本体部27の熱膨張係数よりも大きくすることができる、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)は、銅、黄銅のような銅合金、銀のヤング率よりも大きく、ステンレス鋼(SUS)と同程度以上(150GPa以上)のヤング率を有する。そのため、超電導材24を含む本体部27よりも大きな熱膨張係数を有する補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)は、超電導材24を含む本体部27を機械的に補強する補強部として機能し得る。超電導線材20の機械的強度をさらに向上させるために、第1の補強体18a及び第2の補強体18bのヤング率は、好ましくは182GPaのステンレス鋼(SUS)のヤング率以上、さらに好ましくは205GPaのハステロイのヤング率以上であってもよい。
Referring to FIGS. 2 to 5 and FIGS. 9 to 12, the thermal expansion coefficient of the reinforcing portion (the first reinforcing
以上より、超電導線材20の機械的強度を向上させることが補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)に要求される場合には、例えば、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の熱膨張係数を超電導材24を含む本体部27の熱膨張係数よりも大きくすることによって、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)が超電導材料部(超電導材24)に圧縮応力を印加することが好ましい。
From the above, when the reinforcing portions (the first reinforcing
なお、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の熱膨張係数と超電導材24を含む本体部27の熱膨張係数との差が大きすぎると、超電導材24が多くのクラックや欠陥を有することがある。そのため、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の熱膨張係数と超電導材24を含む本体部27の熱膨張係数との差は、2.0×10-6/K以下が好ましい。補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の熱膨張係数と超電導材24を含む本体部27の熱膨張係数との差を2.0×10-6/K以下とすることによって、超電導材24に多くのクラックや欠陥が生じることを抑制することができる。
In addition, if the difference between the thermal expansion coefficient of the reinforcing portion (the first reinforcing
超電導材24を含む本体部27に圧縮応力を印加するように補強部を構成するために、例えば、補強部に予め引張応力を印加してもよい。具体的には、超電導材24を含む本体部27に、引張応力が印加された補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)を接合する。それから、この引張応力を除去する。引張応力が除去された補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)は縮むため、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)によって、超電導材24を含む本体部27に圧縮応力を印加することができる。補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)に予め引張応力を印加することによって、超電導材24を含む本体部27に圧縮応力が印加される場合、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の熱膨張係数は、超電導材24を含む本体部27の熱膨張係数よりも小さくてもよい。補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の熱膨張係数と超電導材24を含む本体部27の熱膨張係数との差による引張応力を考慮しても、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)により超電導材24を含む本体部27に印加される圧縮応力によって、超電導線材20が十分な機械的強度を有するように、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)に含まれる第1の材料または第2の材料の割合が調整されてもよい。
In order to configure the reinforcing portion so as to apply compressive stress to the
超電導材24を含む本体部27に圧縮応力を印加する第1の実装例では、超電導線材20は、0.23mmの厚さと4.3mmの幅を有する本体部27と、50μmの厚さと4.5mmの幅を有する黄銅モリブデンの非固溶性合金(モリブデンのモル分率30%)の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)とを備える。黄銅モリブデンの非固溶性合金(モリブデンのモル分率30%)の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)は、本体部27に、0.1%の圧縮歪みを印加する。第1の実装例の超電導線材20は、約400MPaの許容応力を有する。ここで、許容応力は、超電導線材に許容応力を印加したときの臨界電流Icが、超電導線材に応力を印加しないときの臨界電流Icの95%となる応力を意味し、超電導線材の機械的強度の指標の一つである。これに対し、第1の比較例の超電導線材は、本体部27と、第1の実装例の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)と同じ厚さと幅を有するとともに固溶性の銅合金からなる補強部とを備える。第1の比較例の超電導線材は、250MPaの許容応力を有する。第1の実装例の超電導線材20は、第1の比較例の超電導線材に比べて、約1.6倍の許容応力を有する。第1の実装例の超電導線材20は、第1の比較例の超電導線材に比べて、向上した機械的強度を有する。
In the first mounting example in which compressive stress is applied to the
超電導材24を含む本体部27に圧縮応力を印加する第2の実装例では、超電導線材20は、0.23mmの厚さと4.3mmの幅を有する本体部27と、20μmの厚さと4.5mmの幅を有する黄銅モリブデンの非固溶性合金(モリブデンのモル分率30%)の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)とを備える。黄銅モリブデンの非固溶性合金(モリブデンのモル分率30%)の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)は、本体部27に、0.15%の圧縮歪みを印加する。第2の実装例の超電導線材20は、約400MPaの許容応力を有する。これに対し、第2の比較例の超電導線材は、本体部27と、第2の実装例の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)と同じ厚さと幅を有するとともにステンレス鋼(SUS)からなる補強部とを備える。第2の比較例の超電導線材は、270MPaの許容応力を有する。第2の実装例の超電導線材20は、第2の比較例の超電導線材に比べて、約1.5倍の許容応力を有する。第2の実装例の超電導線材20は、第2の比較例の超電導線材に比べて、向上した機械的強度を有する。
In the second mounting example in which compressive stress is applied to the
超電導材24を含む本体部27に圧縮応力を印加する第3の実装例では、超電導線材20は、0.23mmの厚さと4.3mmの幅を有する本体部27と、30μmの厚さと4.5mmの幅を有する黄銅モリブデンの非固溶性合金(モリブデンのモル分率30%)の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)とを備える。黄銅モリブデンの非固溶性合金(モリブデンのモル分率30%)の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)は、本体部27に、0.20%の圧縮歪みを印加する。第3の実装例の超電導線材20は、約450MPaの許容応力を有する。これに対し、第3の比較例の超電導線材は、本体部27と、第3の実装例の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)と同じ厚さと幅を有するとともにNi合金からなる補強部とを備える。第3の比較例の超電導線材は、約400MPaの許容応力を有する。第3の実装例の超電導線材20は、第3の比較例の超電導線材に比べて、約1.1倍の許容応力を有する。第3の実装例の超電導線材20は、第3の比較例の超電導線材に比べて、向上した機械的強度を有する。
In the third mounting example in which compressive stress is applied to the
表1を参照して、クロム及びコバルトも、タングステン及びモリブデンと同様に、第1の材料である銅よりも小さな熱膨張係数を有するとともに、銅よりも大きなヤング率を有する。そのため、クロムまたはコバルトからなる第2の材料を含む非固溶性銅系合金も、図2から図5、並びに図9から図12に示されるモリブデンまたはタングステンからなる第2の材料を含む非固溶性銅系合金と同様の傾向を示すことは明らかである。したがって、クロムまたはコバルトからなる第2の材料を含む非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)は、超電導材24を含む本体部27を機械的に補強する補強部として機能し得ることは明らかである。また、クロム及びコバルトはタングステン及びモリブデンよりも大きな熱膨張係数を有するため、クロムまたはコバルトからなる第2の材料を含む非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)は、超電導材24に圧縮応力を印加できることも明らかである。
Referring to Table 1, chromium and cobalt, like tungsten and molybdenum, have a smaller coefficient of thermal expansion than copper, which is the first material, and also have a larger Young's modulus than copper. Therefore, the non-solid-soluble copper-based alloy containing the second material made of chromium or cobalt is also non-solid-soluble containing the second material made of molybdenum or tungsten shown in FIGS. 2 to 5 and FIGS. 9 to 12. It is clear that the same tendency as that of the copper-based alloy is exhibited. Therefore, the reinforcing portion (for example, the first reinforcing
以上のとおり、本実施の形態では、超電導線材20に求められる様々な要求(例えば、超電導線材20の許容引張応力を向上させるとともに、超電導線材20の機械的強度を向上させるという要求)に応えることができる補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)を、補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)を構成する非固溶性銅系合金における第1または第2の材料の割合を変化させるだけで得ることができる。したがって、本実施の形態では、超電導線材20の補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)に適した材料を探索する手間を減らすことができ、超電導線材20の設計の自由度を高めることができる。
As described above, in the present embodiment, various requests required for the superconducting wire 20 (for example, a request for improving the allowable tensile stress of the
本実施の形態では、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)に含まれる第2の材料は、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)に含まれる銅または銅含有合金からなる第1の材料に固溶しない。そのため、実施の形態3の補強部(第1の補強体18a、第2の補強体18b)と同様に、本実施の形態の補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の電気抵抗率は、第1の材料の電気抵抗率と第2の材料の電気抵抗率との間の値を有する。
In the present embodiment, the second material contained in the reinforcing portion (for example, the first reinforcing
本実施の形態では、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の第1の材料は、銅または黄銅のような銅含有合金からなる。補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の第2の材料として、モリブデン、タングステン、クロム、及びコバルトを例示することができる。表2を参照して、超電導線材10の使用温度(例えば液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。そのため、本実施の形態では、補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。
In the present embodiment, the first material of the reinforcing portion (for example, the first reinforcing
表2を参照して、超電導線材20の使用温度(例えば液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の補強体の電気抵抗率の10分の1より低い。そのため、本実施の形態の補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の補強体よりも低い電気抵抗率を有する。本実施の形態の超電導線材20によれば、通常の導体から超電導線材20に電流を導入するための通常の導体と超電導線材との接続部、及び超電導線材20同士の接続部における発熱を抑えることができる。また、本実施の形態の超電導線材20によれば、超電導材料層4にクエンチが発生した場合に、超電導線材20が溶断されることを防止することができる。さらに、本実施の形態の超電導線材20によれば、複数の超電導線材20の間の接続抵抗を大幅に低減させることができる。
Referring to Table 2, at the operating temperature of superconducting wire 20 (for example, 77 K which is a liquid nitrogen temperature), the electrical resistivity of the first material and the second material is the reinforcement of stainless steel (SUS) as a comparative example. Lower than 1/10 of the body's electrical resistivity. Therefore, the reinforcement part (for example, the
例えば、本実施の形態の第3の実装例の超電導線材20における補強体18は、超電導線材20の使用温度(例えば、液体窒素温度である77K)において、2.2×10-8(Ωm)の電気抵抗率を有する。これに対し、第3の比較例の超電導線材における補強体は、超電導線材の使用温度(例えば、液体窒素温度である77K)において、3.5×10−7(Ωm)の電気抵抗率を有する。本実施の形態の第3の実装例の超電導線材20は、第3の比較例の超電導線材に比べて、約15分の1の電気抵抗率を有する。そのため、本実施の形態の第3の実装例の超電導線材20では、超電導材24にクエンチが発生した場合に、超電導線材20が溶断されることを防止することができる。第3の実装例の超電導線材20では、第3の比較例の超電導線材よりも、複数の超電導線材20の間の接続抵抗を大幅に低減させることができる。
For example, the reinforcing
本実施の形態の変形例では、補強部は、第1の補強体18aのみを有し、第2の補強体18bは設けられていなくてもよい。言い換えると、補強部は、本体部27の第1の主面27aと第2の主面27bとの少なくとも1つに設けられる。この変形例において、超電導線材20の反りが問題となる場合には、実施の形態2で述べたように、補強部(第1の補強体18a)の熱膨張係数と超電導材24を含む本体部27の熱膨張係数との差が2×10-6/K以下となるように、補強部(第1の補強体18a)に含まれる第1の材料の割合または第2の材料の割合を調整してもよい。
In the modification of the present embodiment, the reinforcing portion has only the first reinforcing
(実施の形態5)
図13を参照して、実施の形態5に係る複数の超電導線材の接続構造30について説明する。
(Embodiment 5)
With reference to FIG. 13, the
本実施の形態における複数の超電導線材の接続構造30では、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)のそれぞれの補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)が電気的及び機械的に接続されている。具体的には、第1の超電導線材20aの第2の補強体18bと第2の超電導線材20bの第1の補強体18aとが電気的及び機械的に接続されている。
In the
複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)として、例えば、図7及び図8に示される超電導線材10b、20を用いることができる。本実施の形態では、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)として、図8に示される超電導線材20が用いられている。
As the plurality of superconducting wires (first
本実施の形態では、接続部33において、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)の補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)が互いに電気的及び機械的に接続されている。より具体的には、第1の超電導線材20aの端部と第2の超電導線材20bとの端部とを積層し、第1の超電導線材20aの第2の補強体18bの端部と第2の超電導線材20bの第1の補強体18aの端部とを、半田等の固着手段(図示せず)を用いて固着することによって、接続部33が形成される。なお、第1の超電導線材20aの端部及び第2の超電導線材20bの端部と異なる位置において、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)の補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)を互いに電気的及び機械的に接続してもよい。
In the present embodiment, in the connecting
表2を参照して、超電導線材の使用温度(例えば、液体窒素温度である77K)において、ステンレス鋼は、高い電気抵抗率を有する。ステンレス鋼からなる補強部を有する複数の超電導線材が互いに接続された比較例の接続部は、複数の高い電気抵抗を有する。接続部は高い電気抵抗を有するので、接続部において熱が発生し、接続部の近傍の温度が上昇する。そのため、複数の超電導線材が接続された超電導コイルや超電導ケーブルの冷却設計が困難になる。また、接続部において、超電導線材の臨界電流Icが低下するという問題があった。さらに、本体部に含まれる超電導材にクエンチが発生した場合に、接続部において超電導線材が溶断されやすい。 With reference to Table 2, stainless steel has a high electrical resistivity at the operating temperature of the superconducting wire (for example, 77 K which is a liquid nitrogen temperature). The connection part of the comparative example in which a plurality of superconducting wires having reinforcing parts made of stainless steel are connected to each other has a plurality of high electrical resistances. Since the connecting portion has a high electrical resistance, heat is generated in the connecting portion, and the temperature in the vicinity of the connecting portion increases. Therefore, it becomes difficult to design a superconducting coil or a superconducting cable to which a plurality of superconducting wires are connected. In addition, there is a problem that the critical current I c of the superconducting wire is reduced at the connection portion. Furthermore, when quenching occurs in the superconducting material included in the main body, the superconducting wire is likely to be blown at the connecting portion.
複数の超電導線材の接続部を超電導線材の長手方向に沿って長くすることによって、複数の超電導線材の接続部における電気抵抗の増加を抑制し得る。しかし、複数の超電導線材の接続部を超電導線材の長手方向に沿って長くすると、複数の超電導線材が接続された超電導コイルや超電導ケーブルの可撓性が低下する。 By increasing the connecting portions of the plurality of superconducting wires along the longitudinal direction of the superconducting wires, an increase in electrical resistance at the connecting portions of the plurality of superconducting wires can be suppressed. However, if the connecting portions of the plurality of superconducting wires are lengthened along the longitudinal direction of the superconducting wires, the flexibility of the superconducting coil or superconducting cable to which the plurality of superconducting wires are connected decreases.
これに対し、本実施の形態の超電導線材の接続構造30では、銅または銅含有合金からなる第1の材料と、第1の材料と異なる第2の材料とからなる非固溶性銅系合金から実質的に構成される補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)を有する複数の超電導線材(第1の超電導線材20a、第2の超電導線材20b)が互いに電気的及び機械的に接続されている。補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)に含まれる第2の材料は、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)に含まれる銅または銅含有合金からなる第1の材料に固溶しない。そのため、本実施の形態の補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の電気抵抗率は、第1の材料の電気抵抗率と第2の材料の電気抵抗率との間の値を有する。
On the other hand, in the
本実施の形態では、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の第1の材料は、銅または銅含有合金からなる。補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の第2の材料として、モリブデン、タングステン、クロム、及びコバルトを例示することができる。表2を参照して、超電導線材20の使用温度(例えば液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。そのため、本実施の形態では、補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)の電気抵抗率は、3.5×10-8(Ωm)以下である。
In this Embodiment, the 1st material of a reinforcement part (for example,
表2を参照して、超電導線材20の使用温度(例えば液体窒素温度である77K)において、第1の材料及び第2の材料の電気抵抗率は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の補強体の電気抵抗率の10分の1より低い。そのため、本実施の形態の補強部(第1の補強体18a及び第2の補強体18b)は、比較例であるステンレス鋼(SUS)の補強体よりも低い電気抵抗率を有する。
Referring to Table 2, at the operating temperature of superconducting wire 20 (for example, 77 K which is a liquid nitrogen temperature), the electrical resistivity of the first material and the second material is the reinforcement of stainless steel (SUS) as a comparative example. Lower than 1/10 of the body's electrical resistivity. Therefore, the reinforcement part (
本実施の形態では、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)の接続部33において、低い電気抵抗率を有する補強部(例えば、第1の補強体18a、第2の補強体18b)が互いに電気的及び機械的に接続されて、超電導線材の接続構造30が形成されている。そのため、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)の間の接続抵抗が低い超電導線材の接続構造30を得ることができる。超電導線材の接続構造30において発生する熱を少なくすることができ、超電導線材の接続構造30で温度が上昇することを抑制することができる。その結果、複数の超電導線材が接続された超電導コイルや超電導ケーブルの冷却設計が容易になる。また、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)の接続部33において、超電導線材20の臨界電流Icが低下することを抑制することができる超電導線材の接続構造30を提供することができる。
In the present embodiment, at the
また、超電導線材の接続構造30では、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)の間の接続抵抗が低い。そのため、超電導線材の長手方向における、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)の接続部33の長さを短くすることができる。その結果、複数の超電導線材が接続された接続構造30を備える超電導コイルや超電導ケーブルの可撓性を向上させることができる。さらに、超電導材24にクエンチが発生した場合に、複数の超電導線材(第1の超電導線材20a及び第2の超電導線材20b)の接続部33において超電導線材20が溶断されることを防止することができる超電導線材の接続構造30を提供することができる。
In the superconducting
今回開示された実施の形態はすべ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。例えば、上記実施の形態では、機械的強度の大きさを示す指標としてヤング率を用いたが、機械的強度の大きさを示す指標として、0.2%耐力、引張強度などを用いてもよい。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is to be considered as illustrative in all points and not restrictive. For example, in the above embodiment, Young's modulus is used as an index indicating the magnitude of mechanical strength, but 0.2% proof stress, tensile strength, etc. may be used as an index indicating the magnitude of mechanical strength. . The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.
1,10,10b,20 超電導線材
2,12 基板
3 中間層
4 超電導材料層
5 保護層
7,27 本体部
7a,27a 第1の主面
7b,27b 第2の主面
7c,27c 側面
8 安定化層
15 下地層
16 接合部
18 補強体
18a 第1の補強体
18b 第2の補強体
20a 第1の超電導線材
20b 第2の超電導線材
24 超電導材
26 シース部
30 接続構造
33 接続部
1, 10, 10b, 20
Claims (13)
前記超電導材料部を含む前記本体部を機械的に補強する補強部と、
前記補強部の表面上に形成され、ニッケルタングステンまたは銅を含む配向金属膜とを備え、
前記本体部は、中間層をさらに含み、前記超電導材料部は前記中間層上に設けられ、
前記本体部の前記中間層は、前記配向金属膜上に設けられ、
前記補強部は、銅または銅含有合金からなる第1の材料と、前記第1の材料と異なる第2の材料とからなる粉末冶金焼結体から実質的に構成される、超電導線材。 A main body including a superconducting material, and
A reinforcing portion for mechanically reinforcing the main body including the superconducting material portion ;
An alignment metal film formed on the surface of the reinforcing portion and containing nickel tungsten or copper ;
The main body portion further includes an intermediate layer, and the superconducting material portion is provided on the intermediate layer,
The intermediate layer of the main body is provided on the oriented metal film,
The reinforcing portion is a superconducting wire substantially composed of a powder metallurgy sintered body made of a first material made of copper or a copper-containing alloy and a second material different from the first material.
前記超電導材料部を含む前記本体部を機械的に補強する補強部と、A reinforcing portion for mechanically reinforcing the main body including the superconducting material portion;
前記補強部を前記本体部に接合する接合部とを備え、A joining portion for joining the reinforcing portion to the main body portion,
前記補強部は、銅または銅含有合金からなる第1の材料と、前記第1の材料と異なる第2の材料とからなる粉末冶金焼結体から実質的に構成される、超電導線材。The reinforcing portion is a superconducting wire substantially composed of a powder metallurgy sintered body made of a first material made of copper or a copper-containing alloy and a second material different from the first material.
前記補強部は、前記基板と反対側の前記本体部の上に設けられる、請求項2に記載の超電導線材。 Further comprising a substrate for supporting the main body,
The superconducting wire according to claim 2 , wherein the reinforcing portion is provided on the main body portion opposite to the substrate.
前記複数の超電導線材の前記補強部が互いに電気的及び機械的に接続されている、超電導線材の接続構造。 A plurality of the superconducting wires according to claim 12 ,
A superconducting wire connection structure in which the reinforcing portions of the plurality of superconducting wires are electrically and mechanically connected to each other.
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