JP6484658B2

JP6484658B2 - 酸化物超電導線材及び超電導コイル

Info

Publication number: JP6484658B2
Application number: JP2017058609A
Authority: JP
Inventors: 真司藤田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: JP2018163733A

Description

本発明は、酸化物超電導線材及び超電導コイルに関する。

酸化物超電導線材の中でも、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲＥ１２３）等の一般式で表されるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体（ただし、ＲＥは希土類を表す。）をテープ状の基板上に形成した酸化物超電導線材は、磁場中での臨界電流が高く線材の長手方向に高い引張強度を有することから、精力的に開発が進められている。しかし、この種の酸化物超電導線材は、テープ状の基板の主面に垂直な方向の力には比較的弱いことが知られている。基板に垂直な方向の力が作用すると、超電導層の剥離や破壊によって線材の特性が劣化することがある。

このような劣化に対する対策として、特許文献１には、安定化材が上板と下板を備え、上板と下板が長手方向に渡って幅方向両端部で電気的かつ機械的に接続された酸化物超電導線材が開示されている。上板と下板との間に中空部が形成されるか、上板と下板とが重ね合わされることにより、酸化物超電導線材に応力が作用したとしても、応力を緩和できることが記載されている。

特許第５８４７００９号公報

しかし、特許文献１に記載の構造の場合、安定化材の構造が複雑となり、安定化材の厚さが厚くなることで、電流密度が下がる問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、基板に垂直な方向の力に対する特性の劣化を抑制することが可能な酸化物超電導線材及び超電導コイルを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、テープ状の基板上に中間層を介して酸化物超電導層が形成され、少なくとも前記酸化物超電導層の表面に保護層及び安定化層が設けられ、前記基板として２枚の基板が重ねられて、前記２枚の基板の幅方向両端部の少なくとも一部が固着され、前記２枚の基板の幅方向中央部が非固着となっていることを特徴とする酸化物超電導線材を提供する。

前記２枚の基板の幅方向両端部の固着部が、溶接部であってもよい。

また、本発明は、前記酸化物超電導線材が使用された超電導コイルを提供する。

本発明によれば、基板に垂直な方向の力が作用したとしても、酸化物超電導層の剥離等による特性の劣化を抑制することができる。

実施形態の酸化物超電導線材を例示する断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。

図１に、実施形態の酸化物超電導線材の断面図を示す。この断面図は、酸化物超電導線材１０の長手方向に垂直な断面の構造を模式的に示している。本実施形態の酸化物超電導線材１０は、基板１１上に中間層１２を介して酸化物超電導層１３が形成された超電導積層体１５を含む。

本実施形態の超電導積層体１５は、テープ状の基板１１と、基板１１の一方の面上に、中間層１２と酸化物超電導層１３と保護層１４がこの順に積層された構成を有する。本明細書において、基板１１、中間層１２、酸化物超電導層１３、保護層１４等の各層が積層される方向が厚さ方向である。また、幅方向は、長手方向及び厚さ方向に垂直な方向である。超電導積層体１５の側面は、幅方向の両側の各側面の一方又は両方である。

基板１１は、幅が１０ｍｍ程度のテープ状の金属基板であり、厚さ方向の両側に、それぞれ主面を有する。主面は、一方の面及びこれに対向する裏面である。基板１１を構成する金属の具体例として、ハステロイ（登録商標）に代表されるニッケル合金、ステンレス鋼、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金などが挙げられる。基板１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、例えば１０〜５００μｍの範囲である。

本実施形態の基板１１は、２枚の基板１１ａ，１１ｂが厚さ方向に重ねられた構成である。２枚の基板１１ａ，１１ｂは、幅方向両端部の少なくとも一部が固着された固着部１７と、幅方向中央部が非固着となっている非固着部１８を有する。中間層１２及び酸化物超電導層１３は、基板１１ｂの片面上に積層されている。すなわち、本実施形態の超電導積層体１５は、中間層１２及び酸化物超電導層１３が積層された基板１１ｂと、中間層１２及び酸化物超電導層１３が積層されていない基板１１ａとを有する。

複数枚の基板１１ａ，１１ｂを構成する材料は、互いに同一でもよく、異なってもよい。

固着部１７としては、例えば基板１１ａ，１１ｂ同士の溶接により形成された溶接部が挙げられる。非固着部１８においては、基板１１ａ，１１ｂの対向面が互いに接触していてもよく、基板１１ａ，１１ｂ間に隙間を有してもよい。非固着部１８には、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、オイル等の非付着性材料が塗布、充填等されていてもよい。また、非付着性材料として、酸化物超電導層１３が超電導状態となる低温で密着力を有せず、それより高い温度で密着力を有する感温性の粘着剤、接着剤等を採用することも可能である。非固着部１８が設けられていることにより、基板に垂直な方向の応力が働いても応力が緩和され、酸化物超電導層１３の剥離や破壊を抑制することができる。

中間層１２は、基板１１と酸化物超電導層１３との間に設けられる。中間層１２は、多層構成でもよく、例えば基板１１側から酸化物超電導層１３側に向かう順で、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有してもよい。これらの層は必ずしも１層ずつ設けられるとは限らず、一部の層を省略する場合や、同種の層を２以上繰り返し積層する場合もある。

拡散防止層は、基板１１の成分の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層１３側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧＺＯ（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）等から構成される。拡散防止層の厚さは、例えば１０〜４００ｎｍである。

拡散防止層の上には、基板１１と酸化物超電導層１３との界面における反応を低減し、その上に形成される層の配向性を向上するためにベッド層を形成しても良い。ベッド層の材質としては、例えばＹ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３等が挙げられる。ベッド層の厚さは、例えば１０〜１００ｎｍである。

配向層は、その上のキャップ層の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から形成される。配向層の材質としては、例えば、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物を例示することができる。この配向層はＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法で形成することが好ましい。

キャップ層は、上述の配向層の表面に成膜されて、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料からなる。キャップ層の材質としては、例えば、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＹＳＺ、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、ＬａＭｎＯ_３等が挙げられる。キャップ層の厚さは、５０〜５０００ｎｍの範囲が挙げられる。

酸化物超電導層１３は、酸化物超電導体から構成される。酸化物超電導体としては、特に限定されないが、例えば一般式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｘ（ＲＥ１２３）で表されるＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超電導体が挙げられる。希土類元素ＲＥとしては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちの１種又は２種以上が挙げられる。中でも、Ｙ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍの１種か、又はこれら元素の２種以上の組み合わせが好ましい。一般に、Ｘは、７−ｘ（酸素欠損量ｘ：約０〜１程度）である。酸化物超電導層１３の厚さは、例えば０．５〜５μｍ程度である。この厚さは、長手方向に均一であることが好ましい。

保護層１４は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、酸化物超電導層１３と保護層１４の上に設けられる層との間で起こる化学反応を抑制したりする等の機能を有する。保護層１４の材質としては、例えば銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、金と銀との合金、その他の銀合金、銅合金、金合金などが挙げられる。保護層１４は、少なくとも酸化物超電導層１３の表面を覆っている。ここで、酸化物超電導層１３の表面とは、厚さ方向で、基板１１側に対する反対側の面である。

さらに、保護層１４は、酸化物超電導層１３の側面、中間層１２の側面、基板１１の側面及び裏面から選択される領域の一部または全部を覆ってもよい。保護層１４は２種以上又は２層以上の金属層から構成されてもよい。保護層１４の厚さは、特に限定されないが、例えば１〜３０μｍ程度が挙げられる。保護層１４を薄くする場合は、１０μｍ以下でもよい。

本実施形態において、超電導積層体１５を製造する手順は特に限定されないが、２枚の基板１１ａ，１１ｂに固着部１７を形成した後で、一方の基板１１ｂ上に中間層１２、酸化物超電導層１３、保護層１４を順に積層してもよい。一方の基板１１ｂ上に中間層１２、酸化物超電導層１３、保護層１４を順に積層した後で、基板１１ｂの裏面に他方の基板１１ａを重ね合わせて固着部１７を形成してもよい。

基板１１ａの厚さは、例えば５〜２５０μｍの範囲である。基板１１ｂの厚さは、例えば５〜２５０μｍの範囲である。基板１１ａ，１１ｂの厚さの比率は特に限定されないが、例えば１％：９９％〜９９％：１％が挙げられる。基板１１ａ，１１ｂの厚さの比率の具体例として、１０％：９０％程度、２０％：８０％程度、３０％：７０％程度、４０％：６０％程度、５０％：５０％程度、６０％：４０％程度、７０％：３０％程度、８０％：２０％程度、９０％：１０％程度が挙げられる。

２枚の基板１１ａ，１１ｂを重ね合わせる前の基板１１ｂ上に中間層１２、酸化物超電導層１３、保護層１４を積層する場合は、基板１１ａの厚さより基板１１ｂの厚さが厚いことが好ましい。この場合、酸化物超電導層１３が積層される側の基板１１ｂの厚さを確保することにより、中間層１２、酸化物超電導層１３、保護層１４等の成膜が容易になる。つまり、引張強度が高い基板１１ｂを長手方向に移動させながら成膜を行うことにより、長手方向にわたって長尺で均一な成膜を容易に実現することができる。長手方向に移動させながらの成膜を容易に行うためには、例えば基板１１ｂの厚さは１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上であることが好ましい。

２枚の基板１１ａ，１１ｂを重ね合わせた基板１１上に中間層１２、酸化物超電導層１３、保護層１４を積層する場合は、各基板１１ａ，１１ｂの厚さを薄くすることが好ましい。重ね合わせた基板１１の各基板１１ａ，１１ｂに成膜時の引張荷重を分担させることができるので、基板１１ａ，１１ｂの合計の厚さの増大を抑制することができる。

重ね合わせた基板１１全体を薄くすることにより、電流密度の低下を抑制することができる。例えば、２枚の基板１１ａ，１１ｂの材料及び厚さが同一であると、異なる基板を用意する必要がなく、コストを低減することができる。また、酸化物超電導層１３が積層される側の基板１１ｂよりも、酸化物超電導層１３が積層されない側の基板１１ａを薄くすることにより、基板１１ａが変形した際、酸化物超電導層１３への影響を抑制することができる。

幅方向両端部において固着部１７が形成される位置は、長手方向において同じ位置でもよく、異なる位置でもよい。幅方向の一端側の固着部１７と他端側の固着部１７とが、長手方向に沿って交互に配置されてもよい。交互に配置されることによって、固着部１７が形成された一端側と、固着部１７が形成されていない他端側とを交互にバランスよく配置することができる。幅方向両端部の固着部１７が長手方向に連続して形成される場合、非固着部１８に隙間があっても、外部から隙間に物質が入り込みにくくなる。安定化層１６を金属めっきで形成する場合は、めっきに用いる薬剤をはじくような非付着性材料を非固着部１８に設けてもよい。幅方向両端部の固着部１７が長手方向に不連続に、間欠的に形成される場合、固着部１７は酸化物超電導線材１０の長手方向に１０〜１００μｍの長さで形成され、１０〜１００μｍの間隔をおいて隣の固着部１７が形成される。酸化物超電導線材１０の断面視において、固着部１７の幅は５〜５００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍである。酸化物超電導線材１０の断面視において、固着部１７の幅は、酸化物超電導線材１０の幅に対して０．０５〜５．０％、好ましくは０．１０〜２．０％である。

本実施形態の酸化物超電導線材１０は、超電導積層体１５の外周に、金属めっき、金属箔等の金属からなる安定化層１６を有する。安定化層１６は、保護層１４の表面、保護層１４の側面、酸化物超電導層１３の側面、中間層１２の側面、基板１１の側面、基板１１の裏面から選択される領域の一部または全部を覆ってもよい。ここで、保護層１４の表面とは、厚さ方向で、基板１１側に対する反対側の面である。安定化層１６の厚さとしては、特に限定されないが、例えば１０〜３００μｍ程度が挙げられる。

超電導積層体１５の各層を形成する工程と、安定化層１６を形成する工程の順序は、適宜選択することが可能である。例えば、２枚の基板１１ａ，１１ｂの間に固着部１７を形成した後に、安定化層１６を形成してもよい。基板１１ａを有しない超電導積層体１５の外周に安定化層１６を形成した後で、２枚の基板１１ａ，１１ｂを重ね合わせることも可能である。基板１１ａ，１１ｂ間には安定化層１６が付着しないように、安定化層１６の成膜条件が制御されてもよい。

酸化物超電導線材１０の製造工程の一例としては、例えば次の例示が挙げられる。
（１）基板１１ａ，１１ｂ間に固着部１７を形成した後で、基板１１上に中間層１２、酸化物超電導層１３、保護層１４を順に積層し、その後、安定化層１６を形成する方法。
（２）基板１１ｂ上に中間層１２、酸化物超電導層１３、保護層１４を順に積層した後で、基板１１ａ，１１ｂを重ね合わせて固着部１７を形成し、その後、安定化層１６を形成する方法。

安定化層１６が良導電性の金属から構成される場合、酸化物超電導層１３が常電導状態に転移した時に発生する過電流を転流させるバイパス部としての機能を付与することができる。良導電性の金属として、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀等の金属が挙げられる。また、酸化物超電導線材１０が超電導限流器に使用される場合は、常電導状態への転移時に発生する過電流を瞬時に抑制する必要があるため、安定化層１６に高抵抗金属が好適に用いられる。高抵抗金属として、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金などが挙げられる。

安定化層１６が、酸化物超電導層１３又は保護層１４の表面を覆っている場合、酸化物超電導層１３と安定化層１６との間の電気的接続が良好となる。さらに、安定化層１６が、酸化物超電導層１３の側面を覆っている場合、酸化物超電導層１３の剥離防止性や防水性を向上することができる。安定化層１６が金属箔から構成される場合、半田等の接合材を介して超電導積層体１５の外周に固着させてもよい。

テープ状の酸化物超電導線材を使用して超電導コイルを作製するには、超電導線材を巻き枠の外周面に沿って必要な層数巻き付けてコイル形状の多層巻きコイルを構成した後、巻き付けた超電導線材を覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて、超電導線材を固定することができる。

酸化物超電導線材がコイル状に巻き回され、エポキシ樹脂などの樹脂が含浸された超電導コイルの場合、冷却時に酸化物超電導線材と樹脂の熱膨張係数の差に起因して、冷却時に基板に垂直な方向の引張応力が働くことがある。また、超電導コイルの通電時に、フープ応力等として、超電導コイルを外側に拡張する方向に作用する応力が働くことがある。本実施形態によれば、２枚の基板１１ａ，１１ｂの間に非固着部を有するので、基板に垂直な方向の応力が働いても応力が緩和され、酸化物超電導層１３の剥離や破壊を抑制することができる。その結果、酸化物超電導線材１０の特性が劣化しにくくなる。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
超電導線材は、外部端子を有することができる。外部端子を有する箇所では、他の箇所と異なる断面構造を有してもよい。

１０…酸化物超電導線材、１１，１１ａ，１１ｂ…基板、１２…中間層、１３…酸化物超電導層、１４…保護層、１５…超電導積層体、１６…安定化層、１７…固着部、１８…非固着部。

Claims

テープ状の基板上に中間層を介して酸化物超電導層が形成され、少なくとも前記酸化物超電導層の表面に保護層及び安定化層が設けられ、
前記基板として２枚の基板が重ねられて、前記２枚の基板の幅方向両端部の少なくとも一部が固着され、前記２枚の基板の幅方向中央部が非固着となっていることを特徴とする酸化物超電導線材。
前記２枚の基板の幅方向両端部の固着部が、溶接部であることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導線材。
請求項１又は２に記載の酸化物超電導線材が使用された超電導コイル。