(57)【要約】      （修正有）【課題】コイルの外形寸法を変えることなくコイルの運転電流を向上できる超電導コイルおよびそれを備えた超電導機器を提供する。【解決手段】テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材１が巻胴３Ａの外周に複数層をなすように巻回された酸化物超電導コイルＡであり、前記巻胴の長さ方向端部側に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層が前記巻胴の他の部分に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層よりも厚くする。【選択図】図１
2014216411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材が巻胴の外周に複数層をなすように巻回された酸化物超電導コイルであり、
前記巻胴の長さ方向端部側に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層が前記巻胴の他の部分に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層よりも厚くされたことを特徴とする酸化物超電導コイル。
【請求項２】
テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材が巻胴の外周に複数層をなすように巻回された酸化物超電導コイルであり、
前記巻胴の外側に複数層をなすように巻回された酸化物超電導線材において、巻胴の外周面に近い内周側の酸化物超電導線材の酸化物超電導層の厚さが、前記巻胴外側に複数層をなすように巻回されている他の部分の酸化物超電導線材の酸化物超電導層の厚さよりも厚くされたことを特徴とする酸化物超電導コイル。
【請求項３】
前記巻胴の外周に巻回されて環状のコイル本体を構成する酸化物超電導線材のうち、コイル本体の内側と外側に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層の厚さが、前記コイル本体の内側と外側の間の中側に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層の厚さよりも厚くされたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の酸化物超電導コイル。
【請求項４】
前記巻胴外方に巻回されている酸化物超電導線材により形成されたコイル本体の径方向に沿うコイル幅に対し、最内周位置を基点としてコイル幅の８％以上７５％以下の領域に巻回されている酸化物超電導線材に形成されている酸化物超電導層の厚さが、その他の領域に巻回されている酸化物超電導線材に形成されている酸化物超電導層の厚さよりも薄くされたことを特徴とする請求項３に記載の酸化物超電導コイル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸化物超電導コイルを備えたことを特徴とする超電導機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超電導コイルおよびそれを備えた超電導機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
低損失の導電材料として酸化物超電線材を用いたケーブル、コイル、モーター、マグネットなどの超電導機器が開発されている。これらの超電導機器に用いられる超電導体として、例えば、Ｂｉ系超電導線材（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ：Ｂｉ２２１２、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ：Ｂｉ２２２３）やＲＥ−１２３系超電導線材（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ7−ｘ：ＲＥはＹやＧｄなどを含む希土類元素）が知られている。
一般に図１０に示すようにＲＥ−１２３系の酸化物超電導線材Ｃは、テープ状の金属基材１００上に拡散防止層などの下地層１０１と結晶配向性の良好な中間層１０２を介し酸化物超電導層１０３を成膜した後、この酸化物超電導層１０３の表面を覆うようにＡｇからなる第一の金属安定化層１０４を形成してなる。また、用途に応じてＣｕからなる図示略の第二の金属安定化層を積層し、必要に応じ外周に絶縁処理を施して酸化物超電導線材が構成される。前記金属安定化層は、酸化物超電導線材が何らかの原因で超電導状態から常電導状態に転位した際の電流パスとして設けられている。
【０００３】
また、この酸化物超電導線材を巻胴の外周に複数層となるように巻回して得られる酸化物超電導コイルが知られている。この酸化物超電導コイルのモデル構造を図１１（ａ）に示す。図１１（ａ）に示す酸化物超電導コイル１０５については、コイルの部位に応じ酸化物超電導線材に対し異なる方向の磁場が作用することが知られている。
図１１（ａ）に示す起立状態とした円筒モデルの酸化物超電導コイル１０５の上部側、約１／４の部分の断面（図１１（ａ）の斜線の領域Ｓ）を解析した場合の磁場分布を図１１（ｂ）に示す。酸化物超電導コイル１０５の部分断面の領域Ｓにおいて図１１（ｂ）に矢印で示すように磁場の向きと大きさが作用する。図１１（ｂ）において矢印は磁場の向きと大きさ（強さ）をベクトルとして示している。
図１１（ｂ）に示すように超電導コイル１０５においては、コイル上端に近くなるほどＸ方向（径方向）の磁場成分が多くなり、コイル中央側に近くなるほど、Ｙ方向（起立状態の超電導コイル１０５の高さ方向）の磁場成分が多くなることがわかる。
【０００４】
また、テープ状の酸化物超電導線材には磁場の方向依存性があり、図１０に示すように酸化物超電導線材Ｃに対し平行（矢印Ｆ１方向）に磁場が作用するよりも垂直方向（矢印Ｆ２方向）やある任意の方向（矢印Ｆ３方向）から磁場が作用する方が臨界電流が低下する。このため、酸化物超電導コイルの運転電流は、使用する酸化物超電導線材Ｃにより、どの方向の磁場が臨界電流を低下させるのか、そして、超電導コイル内のどの位置で最も臨界電流が低下するのかを把握して制限する必要がある。一般に、高温超電導線材である酸化物超電導線材を適用した超電導コイルを使用する場合、超電導コイル上部や超電導コイル下部における垂直方向に近い部分の特性を勘案して運転電流を制限するケースが多い。
【０００５】
従来、超電導コイルを製造する場合、テープ状の酸化物超電導線材を３本以上の細幅に分割して超電導細線を製造し、この超電導細線を用いて薄型の酸化物超電導コイルを製造し、これを複数積層して酸化物超電導コイルを製造する技術が知られている。テープ状の酸化物超電導線材を３本以上の細幅の超電導細線に分割する場合、テープ状の酸化物超電導線材の幅方向両端側から切り出すか、幅方向中央側から切り出すかによって得られる超電導細線の臨界電流値が異なることが知られている。
そして、上述の位置毎の磁場の状態に鑑み、臨界電流の高い超電導細線からなる超電導コイルを積層方向端部側に配置し、臨界電流の低い超電導細線からなる超電導コイルを積層方向中央側に配置した構成の積層型超電導コイルが知られている（特許文献１参照）。
また、高温超電導コイルを適用した場合、コイル上部や下部での垂直方向に近い部分で運転電流が制限されるケースが多い。これに対して、コイル両端での磁場の方向を線材に対して水平方向に近づけるようにコイルの上部や下部に別のコイルを配置して磁場の方向を制御する方法が知られている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２５８６９６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】古別府正他  「多芯テープ線材の活用による超伝導コイルの性能向上」第８０回  ２００９年度春季低温工学・超電導学会  ３Ｄ−ａ０１  コイル応用（３）Ｐ２０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
先の特許文献１に記載の積層型超電導コイルは、細幅に分割して細線化した構造とするので超電導線材の幅が狭くなり、超電導コイルを設計する上で制約が生じ易い問題がある。
また、非特許文献１に記載のように超電導コイルの上端部や下端部の外周部に別途サブコイルを追加して配置し、磁場の制御を行うコイル構造も提案されている。しかし、コイルの外周部にサブコイルを配置する構造においては、サブコイル設置位置のコイル外径寸法が大きくなる問題があった。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑みなされたもので、コイルに作用する磁場の角度依存性に起因する超電導特性の劣化を抑制でき、コイルの外形寸法を変えることなくコイルの磁場中運転電流低下を抑制できる超電導コイルおよびそれを備えた超電導機器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の酸化物超電導コイルは、テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材が巻胴の外周に複数層をなすように巻回された酸化物超電導コイルであり、前記巻胴の長さ方向端部側に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層が前記巻胴の他の部分に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層よりも厚くされたことを特徴とする。
本発明は、テープ状の基材上に中間層と酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材が巻胴の外周に複数層をなすように巻回された酸化物超電導コイルであり、前記巻胴の外側に複数層をなすように巻回された酸化物超電導線材において、巻胴の外周面に近い内周側の酸化物超電導線材の酸化物超電導層の厚さが、前記巻胴外側に複数層をなすように巻回されている他の部分の酸化物超電導線材の酸化物超電導層の厚さよりも厚くされたことを特徴とする。
【００１１】
基材上に中間層と酸化物超電導層を有する構造のテープ状の酸化物超電導線材にあっては、本発明者の研究により、酸化物超電導層が厚いほど、臨界電流が大きい傾向になることがわかってきている。この傾向は、超電導層を超電導状態に維持できる温度範囲において０．５Ｔ以上などの強い磁場が作用する環境において同じ傾向であると把握できる。
このため、巻胴にテープ状の酸化物超電導線材を複数層巻回したコイル構造において、巻胴の長さ方向端部側に巻回された酸化物超電導線材の酸化物超電導層の厚さを他の部分の酸化物超電導層より厚くしておくならば、厚い酸化物超電導層に対しその臨界電流を低下させるように磁場の影響が作用しても、薄い酸化物超電導層を設けた構造よりは臨界電流を大きくできるため、超電導コイルとしての運転電流低下を抑制できる。このため、酸化物超電導線材に作用する磁場角度依存性を加味したとして、運転電流を高いレベルに維持できる酸化物超電導コイルを提供できる。
また、巻胴の外側に複数層をなすように巻回された酸化物超電導線材においても、内周側の酸化物超電導線材の超電導層を他の部分よりも厚くすることで、薄い酸化物超電導層を設けた構造より臨界電流を大きくできるため、超電導コイルとしての運転電流低下を抑制できる。
【００１２】
本発明の酸化物超電導コイルにおいて、前記巻胴の外周に巻回されて環状のコイル本体を構成する酸化物超電導線材のうち、コイル本体の内側と外側に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層の厚さが、前記コイル本体の内側と外側の間の中側に巻回されている酸化物超電導線材に形成された酸化物超電導層の厚さよりも厚くされた構成でも良い。
【００１３】
酸化物超電導コイルを超電導状態とするために冷却する場合、巻胴外方に巻回された酸化物超電導線材には、位置毎に異なる熱応力が作用する。そして、この熱応力は巻胴の外方において内側と外側よりも内側と外側の間に位置する中側の酸化物超電導線材の酸化物超電導層に、より大きな剥離力となって作用する。このため、巻胴外方の中側に巻回されている酸化物超電導線材に形成されている酸化物超電導層をその他の部分の酸化物超電導層よりも薄くしておくならば、冷却時の熱応力によって剥離し難い構造とすることができる。このため、冷却時に熱応力が作用しても臨界電流の低下し難い超電導コイルを提供できる。
【００１４】
本発明の酸化物超電導コイルにおいて、前記巻胴外方に巻回されている酸化物超電導線材により形成されたコイル本体の径方向に沿うコイル幅に対し、最内周位置を基点としてコイル幅の８％以上７５％以下の領域に巻回されている酸化物超電導線材に形成されている酸化物超電導層の厚さが、その他の領域に巻回されている酸化物超電導線材に形成されている酸化物超電導層の厚さよりも薄くされたことを特徴とする。
【００１５】
酸化物超電導コイルを超電導状態とするために冷却する場合、巻胴外方に巻回された酸化物超電導線材には、位置毎に異なる熱応力が作用するが、コイル幅に対し、最内周位置を基点としてコイル幅の８％以上７５％以下の領域により多くの熱応力が集中する。このため、この領域に設ける酸化物超電導線材の酸化物超電導層の厚さを他の領域の酸化物超電導層より薄い構造にしておくならば、冷却時の熱応力によって剥離し難い構造とすることができる。このため、冷却時に熱応力が作用しても臨界電流の低下し難い超電導コイルを提供できる。
【００１６】
本発明の超電導機器は、先のいずれか一項に記載の酸化物超電導コイルを備えたことを特徴とする。
上述の酸化物超電導コイルを備えた超電導機器であるならば、一般構造の超電導コイルを備えた超電導機器に比較して運転電流を高く設定して使用できる特徴を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、通電時の磁場の影響を受けやすい位置の酸化物超電導層を厚くしているので、磁場の影響を受けても臨界電流低下を抑制できるので、運転電流低下を生じ難く、高い運転電流を設定できる超電導コイルと超電導機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１（ａ）は本発明に係る第１実施形態の酸化物超電導コイルの略図、図１（ｂ）は同酸化物超電導コイルを構成するパンケーキコイルの積層状態を示す図、図１（ｃ）は同酸化物超電導コイルを構成するパンケーキコイルの一例を示す斜視図。
【図２】図２は同酸化物超電導コイルを構成するための酸化物超電導線材の一例を示す部分断面図。
【図３】図３はテープ状酸化物超電導線材の磁場角度依存性の一例を示すグラフ。
【図４】図４はコイル径方向最内層の軸方向コイル臨界電流（Ｉｃ）の最小値Ｉｃ_minとの比率を示すグラフ。
【図５】図５はコイル径方向のコイル平均臨界電流（Ｉｃ）比率計算結果例を示すグラフ。
【図６】図６は図５に示すコイル平均臨界電流（Ｉｃ）比率計算拡大図。
【図７】図７は酸化物超電導コイルを構成するパンケーキコイルにおいて、コイル本体の内側部分から外側部分までの熱応力分布解析結果の一例を示す図。
【図８】図８（ａ）はスタッドプル法による剥離試験を実施する場合に用いるスタッドピンの一例を示す図、図８（ｂ）は酸化物超電導層厚と累積ハザード法による５０％剥離応力の相関関係を示すグラフ。
【図９】図９は自己磁場中と３Ｔの外部磁場中における酸化物超電導層厚と臨界電流との相関関係を示すグラフ。
【図１０】図１０はテープ状酸化物超電導線材の一例構造を示す部分断面図。
【図１１】図１１（ａ）は従来の酸化物超電導コイルの一例構造を示す斜視図、図１１（ｂ）は同酸化物超電導コイルにおける断面位置毎の磁場分布を示すベクトル図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る酸化物超電導線材の接続構造体の第１実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下説明の実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするため、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図１（ａ）は第１実施形態に係る酸化物超電導コイルＡを示すもので、この超電導コイルＡは以下に説明するテープ状の酸化物超電導線材１をボビン（巻枠）３に多層になるようにコイル巻きして構成されている。
【００２０】
超電導コイルＡに適用されている酸化物超電導線材１は、図２に示すようにテープ状の基材２の一面（表面）の上方に、中間層５、酸化物超電導層６、保護層７、金属安定化層８を積層してテープ状の超電導積層体９が構成され、この超電導積層体９の外周を覆うように接着層１０ａを介し絶縁層１０が被覆されている。
本実施形態の超電導コイルＡは、薄型の巻胴に酸化物超電導線材１を多数ターン巻回した薄型のパンケーキコイル４を複数（この実施形態では６つ）積み重ねて構成されている。そして、薄型の巻胴を６つ積み重ねて構成される巻胴３Ａの長さ方向両端部分に鍔板３Ｂが取り付けられ、積み重ねて構成された巻胴３Ａと２枚の鍔板３Ｂによりボビン３が構成されている。
【００２１】
図１（ａ）の例では以上説明の構造を簡略化して６つのパンケーキコイル４を積み重ねた状態として示し、各パンケーキコイル４に巻回されている複数層のテープ状の酸化物超電導線材１を個々に断面視した状態として薄板状に簡略化して示した。従って、図１（ａ）では巻胴３Ａの外側に薄板状の酸化物超電導線材１を１１ターン巻回したように表示されているが、実際の超電導コイルでは必要とされる性能等に合わせて数１０ターン〜数１００ターン巻回される。なお、パンケーキコイル４は６つ重ねられた後、樹脂含浸されて固定されているので、図１（ａ）においては各酸化物超電導線材１の周囲をエポキシ樹脂層などの含浸樹脂層１１が覆った構造として簡略表示している。
【００２２】
以下に酸化物超電導線材１を構成する各要素について説明する。
酸化物超電導線材１において基材２は、可撓性を有する長尺の超電導線材とするためにテープ状やシート状あるいは薄板状であることが好ましい。また、基材２に用いられる材料は、機械的強度が比較的高く、耐熱性があり、線材に加工することが容易な金属を有しているものが好ましく、例えば、ステンレス鋼、ハステロイ等のニッケル合金等の各種耐熱性金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配した材料などが挙げられる。中でも、市販品であれば、Ｎｉ合金の１種として知られているハステロイ（商品名、米国ヘインズ社製）が好適である。このハステロイの種類には、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等が挙げられ、ここではいずれの種類も使用できる。また、基材２の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は１０〜５００μｍ、好ましくは２０〜２００μｍである。また、基材２として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材等を適用することもできる。
【００２３】
中間層５は、拡散防止層またはベッド層からなる下地層５Ａと、配向層５Ｂと、キャップ層５Ｃがこの順に積層された構造を一例として適用することができる。
拡散防止層は、この層よりも上面側に他の層を形成する際に加熱処理した結果、基材２や他の層が熱履歴を受ける場合、基材２の構成元素の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層６側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層の具体的な例として、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、不純物の混入を防止する効果が比較的高いＡｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、又はＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成される単層構造あるいは複層構造が望ましい。
【００２４】
ベッド層は、基材２と酸化物超電導層６との界面における構成元素の反応を抑え、この層よりも上に設けられる層の配向性を向上させるために用いられる。ベッド層の具体的な構造としては、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、耐熱性が高いＹ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３などの希土類酸化物から構成される単層構造あるいは複層構造が望ましい。拡散防止層とベッド層は両方設けても良く、また、どちらか一方のみ設けても良く、配向層の構成材料によっては略しても良い。
【００２５】
配向層５Ｂは、その上に形成されるキャップ層５Ｃや酸化物超電導層６の結晶配向性を制御する機能と、基材２の構成元素が酸化物超電導層６へ拡散することを抑制する機能と、基材２と酸化物超電導層６との熱膨張率や格子定数といった物理的特性の差を緩和する機能等を有するものである。配向層５Ｂの構成材料は、前記機能を発現し得るものであれば特に限定されない。Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）等の金属酸化物を用いると、後述するイオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＢＡＤ法と呼ぶことがある。）において、結晶配向性の高い層が得られ、キャップ層５Ｃと酸化物超電導層６の結晶配向性をより良好なものとすることができるため、特に好適である。
【００２６】
キャップ層５Ｃは、酸化物超電導層６の結晶配向性を配向層と同等ないしそれ以上強く制御し、酸化物超電導層６を構成する元素の中間層５側への拡散や、酸化物超電導層６の積層時に使用するガスと中間層５との反応を抑制する機能等を有するものである。キャップ層の構成材料は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＹＳＺ、ＬＭｎＯ３等の金属酸化物が酸化物超電導層６との格子整合性の観点から好適である。そのなかでも、酸化物超電導層６とのマッチング性から、ＣｅＯ２あるいはＬＭｎＯ３が特に好適である。ここで、キャップ層にＣｅＯ２を用いる場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
【００２７】
酸化物超電導層６は、超電導状態の時に電流を流す機能を有するものである。酸化物超電導層６に用いられる材料には、通常知られている組成の酸化物超電導体からなるものを広く適用することができ、例えば、Ｙ系超電導体などの銅酸化物超電導体などが挙げられる。Ｙ系超電導体の組成は、例えば、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ7−ｘ（ＲＥは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうち１種または２種以上の希土類元素を示す。ｘは酸素欠損を表す。）が挙げられ、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ7−ｘ）、Ｇｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ7−ｘ）が挙げられる。この酸化物超電導体の母物質は絶縁体であるが、酸素アニール処理により酸素を取り込むことで結晶構造の整った酸化物超電導体となり、超電導特性を示す性質を持っている。酸化物超電導層６がこのような優れた結晶配向性を示すためには、上述の良好な結晶配向性のキャップ層上に成膜されていることによる。
このような優れた結晶配向性の酸化物超電導層６であるならば、酸化物超電導線材１として臨界温度以下に冷却し、通電した場合、優れた臨界電流特性を発揮する。
【００２８】
保護層７は、酸化物超電導線材１への通電時、何らかの事故により発生する過電流をバイパスする電流路となり、酸化物超電導層６に酸素を取り込ませやすくするために、加熱時には酸素を透過しやすくする機能を有する。このため、保護層７は、ＡｇあるいはＡｇ合金など、Ａｇを主体とする材料から形成されることが好ましい。また、保護層７を形成する材料は、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属を含む混合物もしくは合金であってもよく、これらを複数用いてもよい。
【００２９】
本実施形態では保護層７の上に金属安定化層８が設けられている。金属安定化層８の用途は、酸化物超電導線材１の用途により異なる。例えば、超電導ケーブルや超電導モーターなどに使用する場合は、何らかの事故によりクエンチが起こり、酸化物超電導６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のメイン部として用いられる。このとき、金属安定化層８に用いられる材料は、銅、Ｃｕ−Ｚｎ合金（黄銅）、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、アルミ、アルミ合金、ステンレス等の比較的安価な材質からなるものを用いることが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅を用いることが好ましい。また、酸化物超電導線材１を超電導限流器に使用する場合、安定化層は、クエンチが起こり常電導状態に転移した時に発生する過電流を瞬時に抑制するために用いられる。この用途の場合、金属安定化層８に用いられる材料は、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金等の高抵抗金属が挙げられる。
【００３０】
金属安定化層８は主に金属テープの貼合わせ構造あるいはめっき層などにより構成される。金属安定化層８を金属テープの貼合わせ構造とする場合、金属安定化層８の内面側に半田等の導電性接合材を設ける。図２に示す構造では導電性接合材の表示を略しているが、導電性接合材を構成する半田等のスズ合金として例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金などのＳｎを主成分とする合金よりなる鉛フリー半田、Ｐｂ−Ｓｎ系合金半田、共晶半田、低温半田などが挙げられ、これらの半田を１種、又は２種以上組み合わせて使用することもできる。
【００３１】
次に、本実施形態の酸化物超電導コイルＡにおいて、巻胴３Ａの外方に巻回されている酸化物超電導線材１のうち、巻胴３Ａの長さ方向両端側、即ち、鍔板３Ｂに最も近い位置に配置されているパンケーキコイル４に形成されている酸化物超電導層６の厚さが、その他の位置のパンケーキコイル４に形成されている酸化物超電導層６の厚さよりも厚く形成されている。なお、説明の容易化のため、以下、図１（ａ）に示すように６つ重ねられたパンケーキコイル４のうち、鍔板３Ｂに最も近い上下２つのパンケーキコイル４をパンケーキコイル４Ａとして区別して説明し、その他のパンケーキコイル４をパンケーキコイル４Ｂとして区別して説明することがある。
【００３２】
酸化物超電導線材１に形成する酸化物超電導層６は、その厚さを０．８μｍ〜６μｍの範囲で任意の厚さに形成できる。この範囲内であっても例えば、１μｍ〜４μｍの範囲を選択することが好ましい。
酸化物超電導層６を形成する方法は、レーザー蒸着法、スパッタ法、真空蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、塗布熱分解法（ＭＯＤ法）等の成膜法を選択できるので、成膜する場合の成膜時間や基材の搬送速度、ターゲットと基材との距離、温度条件等の各種条件を変更することにより膜の厚さは自由に設定できる。
【００３３】
従って、１つの例として、パンケーキコイル４Ｂを構成する酸化物超電導線材に設けられている酸化物超電導層６の厚さを１μｍとした場合、パンケーキコイル４Ａを構成する酸化物超電導線材に設けられている酸化物超電導層６の厚さを１．７μｍとすることができる。この他、パンケーキコイル４Ｂを構成する酸化物超電導線材に設けられている酸化物超電導層６の厚さを１〜２μｍとした場合、パンケーキコイル４Ａを構成する酸化物超電導線材に設けられている酸化物超電導層６の厚さを３〜４μｍとする構成など、パンケーキコイル４Ａを構成する酸化物超電導線材に設けられている酸化物超電導層６の厚さがパンケーキコイル４Ｂを構成する酸化物超電導線材に設けられている酸化物超電導層６の厚さよりも厚く形成されている。
パンケーキコイル４Ａを構成する酸化物超電導線材に設けられている酸化物超電導層６をその他のものより厚く形成するのは、図１（ａ）に示す超電導コイルＡに通電した場合、巻胴３Ａの長さ方向両端側に位置する酸化物超電導線材１の酸化物超電導層６に最も大きく磁場の影響が作用し、その位置の酸化物超電導層６の臨界電流を低下させるためである。従って、巻胴３Ａの両端側に位置するパンケーキコイル４Ａを構成する酸化物超電導線材に設けられている酸化物超電導層６が他のパンケーキコイル４Ｂを構成する酸化物超電導線材に設けられている酸化物超電導層６よりも厚く形成されている。
現状本発明者の研究では、０．５μｍ〜６μｍの厚さ範囲の酸化物超電導層であって０．５Ｔ以上の磁場が作用する条件下においては、酸化物超電導層の膜厚を大きくした方が臨界電流が大きくなる傾向にあることが分かっている。
このため、図１（ａ）に示す酸化物超電導コイルＡにおいて上述の構造を採用することが好ましい。
【００３４】
次に、図１（ａ）に示す酸化物超電導コイルＡのいずれか１つのパンケーキコイル４において、巻胴３Ａの外方（外周側）に内側から中側を介し外側にかけて酸化物超電導線材１が巻回されているが、内側よりの中側に巻回されている酸化物超電導層６の厚さが、内側に巻回されている酸化物超電導層６の厚さよりも薄く、かつ、中側〜外側に巻回されている酸化物超電導層６の厚さよりも薄いことが好ましい。
一例として、パンケーキコイル４において、厚い超電導層を備えた酸化物超電導線材をコイル内側に巻回し、その酸化物超電導線材に薄い酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を接続してコイル中側に巻回し、この超電導線材に厚い酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を接続してコイル外側に巻回する構造を採用できる。
また、一例として、酸化物超電導線材１が巻回されている領域の横断面において、最内周位置（巻き初め側位置）から最外周位置（巻き終わり側位置）までの径方向距離に対し、８％未満までの範囲には厚い酸化物超電導層６が設けられ、８％以上（剥離応力として約１０ＭＰａ以上）７５％以下までの範囲には薄い酸化物超電導層６が設けられ、７５％超〜１００％までの範囲には厚い酸化物超電導層６が設けられていることが好ましい。前記８％以上７５％以下の領域においては、剥離応力が約１０ＭＰａ以上と大きくなるので、膜厚の薄い酸化物超電導層６を備えた酸化物超電導線材を用いることが好ましい。
【００３５】
これは、図１（ａ）に示す酸化物超電導コイルＡにおいて１つのパンケーキコイル４についてエポキシ樹脂含浸したコイル構造において内部熱応力を解析した場合、常温で作製した酸化物超電導コイルＡを運転するために７７Ｋ以下の温度に冷却されるので、冷却に伴い、内部に熱応力が作用する。この熱応力は、１つのパンケーキコイル４について巻胴３Ａの外周側に酸化物超電導線材１を多数ターンになるように多数層巻回しているとすると、その位置に応じて異なる熱応力となる。熱応力の作用に関し、上述の範囲で記載すると、最内周位置から最外周位置に向かって２０〜５５％の範囲が最も大きく、１３〜２０％の範囲と５５〜６２％の範囲が２番目に大きく、１０〜１３％の範囲と６２〜７０％の範囲が３番目に大きい。以下、順に、８〜１０％の範囲と７０〜７５％の範囲、４〜８％の範囲と７５〜８２％の範囲の順に小さくなり、最内周側と最外周側に向かうにつれて徐々に小さくなる。上述のように熱応力が作用すると酸化物超電導層６に剥離応力が作用する。
【００３６】
酸化物超電導線材１を臨界温度以下に冷却した場合、各パンケーキコイル４の酸化物超電導線材１には個々に冷却時の熱応力により、パンケーキコイル４の径方向において内側領域と外側領域よりも中側領域に対し、より大きな応力が作用する。例えば、パンケーキコイル４の横断面（パンケーキコイル４の半径に沿う断面）に沿い、酸化物超電導線材１に対して引張方向に働くような応力が作用する。このような応力が作用しても、本実施形態の酸化物超電導コイルＡにおいて、パンケーキコイル４の応力が大きく作用する領域の酸化物超電導層６の厚さを薄くしているので、酸化物超電導層６に剥離が生じるおそれが少ない。これは、厚い酸化物超電導層６に対比し、薄い酸化物超電導層６の方が剥離力に強いことによる。
【００３７】
このため、上述のような位置の酸化物超電導線材１について酸化物超電導層６の厚さを上述のように厚い酸化物超電導層６と薄い酸化物超電導層６を使い分けることにより、熱応力の作用を受けても臨界電流の低下し難いパンケーキコイル４とすることができる。また、このようなパンケーキコイル４を酸化物超電導コイルＡに設けることで、運転電流を向上させた超電導コイルＡを提供できる効果がある。
【００３８】
ところで、酸化物超電導線材１に形成されている酸化物超電導層６の厚さは０．８〜６μｍの範囲であり、この範囲の中で厚さを使い分けたとして、１００ターン巻回したパンケーキコイル４の外形に及ぼす寸法的な影響は数１００μｍ程度であるので、パンケーキコイル４の外形寸法が大きく異なることにはならず、寸法的な問題は生じない。
【００３９】
図１に示す酸化物超電導コイルＡは、全体を臨界温度以下（例えば７７Ｋ以下）に冷却し、酸化物超電導線材１に通電することにより磁場を発生させて目的のために使用することができる。
【００４０】
また、超電導コイルＡの酸化物超電導線材１に通電すると磁場を発生できるが、パンケーキコイル４の酸化物超電導層６に自己磁場が作用する場合、パンケーキコイル４の内周側、中心側の方が磁場が強くなるが、内周側に厚い酸化物超電導層６を備えた酸化物超電導線材１を配しているので、コイルとしての臨界電流が大きく、上述の熱応力に強い超電導コイルＡを提供することができる。
なお、本発明は超電導コイルＡを備えた超電導マグネット、超電導モーターなどの各種超電導機器に適用することができる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
ハステロイ（商品名ハステロイＣ−２７６、米国ヘインズ社製）からなる幅５ｍｍ、厚さ１００μｍ、長さ１７０ｍのテープ状の基材を複数用意し、表面を研磨した。
次に、以下の形成条件により、複数の基材の一面上に、拡散防止層、ベッド層、配向層およびキャップ層をこの順に積層した。各成膜の際には、成膜装置の内部にテープ状の基材を搬送する送り出しリールと巻き取りリールを設け、基材を所定の速度で移動させつつ基材上に順次成膜する処理を行った。
まず、イオンビームスパッタ法により、テープ状の基材の上にＡｌ２Ｏ３からなる膜厚１００ｎｍの拡散防止層を形成し、次に、イオンビームスパッタ法により、拡散防止層の上にＹ２Ｏ３からなる膜厚２０ｎｍのベッド層を形成した。次に、ＩＢＡＤ法により、ベッド層の上にＭｇＯからなる膜厚１０ｎｍの配向層を形成した。
【００４２】
配向層を形成後、ＰＬＤ法によりＣｅＯ２からなる膜厚４００ｎｍのキャップ層を形成し、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘなる組成の厚さ１．７μｍの酸化物超電導層を形成し、更に厚さ２μｍのＡｇの保護層をスパッタ法により成膜し、積層体を得た。この積層体を５００℃で１０時間酸素雰囲気中において酸素アニール処理し、その後に保護層上に厚さ３００μｍの銅の金属安定化テープをＳｎ半田層により貼り合わせ接合してテープ状の酸化物超電導積層体を得た。この酸化物超電導積層体の外周にポリイミド樹脂テープを巻回して絶縁層を形成し、酸化物超電導線材を得た。
この酸化物超電導線材を内径６０ｍｍ、外径１３２ｍｍ、高さ１０．５ｍｍのＧＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製の円筒状の巻胴の周囲に１００ターン巻回し、コイル内径６０ｍｍ、コイル外径１３２ｍｍのパンケーキコイルを作製した。
なお、同様の構造の酸化物超電導線材において酸化物超電導層の厚さを１μｍとして製造した同一サイズのパンケーキコールを作製した。
これら２種類のパンケーキコイルを使い分け、６層構造の超電導コイルを作成し、エポキシ樹脂含浸して構成した超電導コイルの性能を以下の表１に示す。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
表１に示すように、設計例１は、６層のうち、１番目（一番下）〜６番目（一番上）のパンケーキコイルに巻回された超電導線材の酸化物超電導層が１．７μｍの厚い酸化物超電導層であり、２番目〜５番目までのパンケーキコイルに巻回された酸化物超電導線材の酸化物超電導層が薄い（厚さ１μｍ）の酸化物超電導層である。
表１に示す比較例は、厚さ１μｍの酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材のみを用いて構成したパンケーキコイルを６層積層した構造の超電導コイルである。
設計例１の超電導コイルは比較例の超電導コイルに比較し、コイル臨界電流、コイル中心磁界共に大きくなった。
なお、表１には記載していないが、１番目〜６番目のパンケーキコイルに巻回されている酸化物超電導線材の全てを厚さ１．７μｍの酸化物超電導層からなる酸化物超電導線材として製造した超電導コイルの臨界電流は２２０Ａとなる。この対比から、一番下と一番上のパンケーキコイル、即ち、巻胴の軸方向端部側のコイルに設けられている酸化物超電導層について、他の部分に設けられている酸化物超電導層より厚いものを用いることで、コイル全体に厚い酸化物超電導層を用いなくても優れたコイル臨界電流を得られることが判る。
【００４５】
図３は先に製造した厚さ１．７μｍの酸化物超電導層を有する酸化物超電導線材の横断面に対し種々の角度（θ）から０．５Ｔの磁場を印加した場合の臨界電流（Ｉｃ：Ａ：７７Ｋ）を測定した結果を示す。
図３に示すように酸化物超電導線材には磁場の方向に応じて臨界電流（Ｉｃ）の角度依存性があり、この角度依存性を考慮した上で、超電導コイルの性能を最大限引き出すために望ましい構造設計を行う必要がある。
【００４６】
図４は、貼り合わせ銅厚１００μｍ、幅５ｍｍとした構造以外は、上述の酸化物超電導線材と同等構造の酸化物超電導線材を用い、内径６０ｍｍ、外径１３２ｍｍのパンケーキコイルを形成し、このパンケーキコイルを６層積層した超電導コイルについて、５０Ｋにおける超電導コイルＩｃの比率（コイル軸方向）計算結果を示す。
図３に示す臨界電流の角度依存性において、最も低い値が図３の角度θにおいて４０゜付近で得られる。コイル軸方向位置において得られる臨界電流（Ｉｃ）の値に対するＩｃ-minの比（Ｉｃ／Ｉｃ-min）の値が図４に示す値である。
この例の超電導コイルの最内層におけるコイル軸方向分布は、図４に示す通りとなる。超電導コイルの端部（図４では上側）に臨界電流（Ｉｃ）の特に低い部分が生じるため、軸方向端部付近に厚い酸化物超電導層を配置することでより効果的な超電導コイルの作製が可能であると考えられる。具体的には、超電導コイルの最上層（超電導コイルの上端部）に他の部分より１８％以上厚い酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を配置することが望ましい。これにより、超電導コイル全体の臨界電流についてコイル寸法を変えることなく、１８％向上可能であり、有効な手段であると考えられる。
【００４７】
図５と図６は超電導コイルの臨界電流（Ｉｃ）分布と径方向における臨界電流（Ｉｃ）比率との相関関係を示す。
基材厚１００μｍ、貼り合わせ銅厚３００μｍ、幅１０ｍｍ、その他の構造は先の実施例の酸化物超電導線材と同等構造を適用し、内径２６０ｍｍ、外径５３５ｍｍ、コイル高さ２０．６ｍｍの２層パンケーキコイル（パンケーキコイルを２層積層した構造）の各磁場分布から各点のコイルＩｃ（７７Ｋ）を算出し、うち１層（シングルパンケーキ）コイルの幅方向平均Ｉｃを算出した。その幅方向平均コイルＩｃとコイル全体の最小Ｉｃ（先の例のＩｃ-min に相当）との比率の関係を図５に示す。また、図５の横軸の径方向１３０ｍｍ〜１６０ｍｍの領域の拡大を図６に示す。
図５、図６においてＩop（通電電流）＝１６２Ａ時のＩｃ／最小Ｉｃを示す。
【００４８】
図６に示す結果から、１２．５％以上Ｉｃが向上する膜厚の酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を超電導コイルの内側（１３０〜１５７．５ｍｍの領域であって、後述する図７の結果に示す熱応力の低い部分）に適用することにより、超電導コイルとしてのＩｃを１２．５％以上向上できると見込むことができる。
更に、超電導コイルの内側（１３０〜１４１ｍｍの領域：後述する図７の結果に示す更に熱応力の低い部分）に４．５％以上Ｉｃが向上する膜厚の酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を用いることにより超電導コイルとしてのＩｃを４．５％以上向上できることを見込むことができる。
これらのように熱応力の影響を受けにくく、かつ、コイルＩｃを向上させ、コイル寸法がほとんど変わらない（超電導層を厚くする厚さ×ターン数  以下；例えば２μｍ厚くし、２４０ターンの場合はコイル寸法が４８０μｍ程度の増大で納まる）超電導コイルを提供できる。
【００４９】
図７は、パンケーキコイル４の断面をとり、この断面においてどの位置に熱応力が作用するのか解析した結果を示す説明図である。
図７に示すパンケーキコイル内応力分布解析は、有限要素法（ＡＮＳＹＳ）に基づきシミュレーションした結果である。基板厚１００μｍ、貼り合わせ銅の金属安定化層の厚さ３００μｍ、幅１０ｍｍの酸化物超電導線材を用いて内径２６０ｍｍ、外径５３０ｍｍのサイズのパンケーキコールを２つ積層した、２層パンケーキコイルの積層体であり、エポキシ樹脂で樹脂含浸した超電導コイルを室温から７７Ｋに冷却した際のコイル断面における熱応力分布シミュレーション結果を図７に示す。
【００５０】
図７に示すシミュレーション結果から、超電導コイルの内側（最内周位置側）から外側（最外周位置側）にかけて位置毎に異なる応力が作用することが判明した。
最内周位置から最外周位置まで径方向に沿って酸化物超電導線材の巻回位置毎の応力を解析した場合、最内周位置から最外周位置までの長さ（酸化物超電導線材を巻線したコイル本体部分のコイル幅）に対し、最内周位置を基点として、２０％以上５５％以下の領域に最も大きな応力が作用し、１３％以上２０％未満の領域と５５％を超えて６２％以下の領域に２番目に大きな応力が作用し、１０％以上１３％未満の領域と６２％を超えて７０％以下の領域に３番目に大きな応力が作用することが分かる。また、８％以上１０％未満の領域と７０％を超えて７５％以下の領域に第４番目の応力が作用し、４％以上８％未満の領域と７５％を超えて８２％以下の領域に第５番目の応力が作用することが分かる。
例えば、図６を用いて説明したように、１３０〜１５７．５ｍｍの領域は、図７に示す８％以上２０％以下の領域なので、２０％以上５５％以下の領域の酸化物超電導線材の超電導層の膜厚に対し、Ｉｃが高いだけ（例：１２．５％以上）厚い膜厚の酸化物超電導層を有する酸化物超電導線材を用いることが好ましい。
また、図６を用いて説明したように、１３０〜１４１ｍｍの領域は、図７に示す８％以下の領域なので、２０％以上５５％以下の領域の酸化物超電導線材の超電導層の膜厚に対し、Ｉｃが高いだけ（例：４．５％以上）厚い膜厚の酸化物超電導層を有する酸化物超電導線材を用いることが好ましい。
図５、図６、図７を総括すると、図７の２０〜５５％の領域、５５〜１００％の領域は同じ膜厚の酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を用い、０〜２０％未満の領域はそれらよりも厚い膜厚の酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を用いることができると説明できる。また、０〜２０％未満の領域に１２．５％以上臨界電流Ｉｃが大きい酸化物超電導層を用いると、コイル臨界電流Ｉｃを１２．５％以上大きくすることができることがわかる。また、０〜８％未満の領域に４．５％以上臨界電流Ｉｃが大きい酸化物超電導層を用いると、コイル臨界電流Ｉｃは４．５％以上大きくなることがわかる。
即ち、臨界電流Ｉｃが１２．５％、４．５％以上の領域は磁場中では臨界電流Ｉｃが酸化物超電導層の膜厚に比例するので、膜厚を１２．５％以上、あるいは４．５％以上にすることとなる。
【００５１】
次に、酸化物超電導線材の酸化物超電導層における剥離強度と層厚の関係を調査した。剥離強度の測定には、図８（ａ）に示す構成のスタッドピンを用いたスタッドプル法により測定した。前述の工程で製造される酸化物超電導線材において、基材上に酸化物超電導層と保護層までを成膜した線材２０を別途用意し、この線材２０の基材裏面側をセラミックス基板２１の一面にエポキシ樹脂２２で接着し、反対側の保護層の表面にφ２．７ｍｍのスタッドピン２３をエポキシ樹脂２４で接着し、スタッドピン２３を長さ方向に引き抜く方法により測定した。
剥離試験は各厚さに対応して３０本ずつ測定を行い、累積ハザード法によるワイブル解析を行い、５０％剥離応力を算出した。
酸化物超電導層の層厚（μｍ）と剥離応力（ＭＰａ）との相関関係を図８（ｂ）に示す。
【００５２】
図８（ｂ）に示す結果から、剥離応力については、酸化物超電導層の厚さが厚くなるほど膜厚に応じて徐々に低下することが判明した。この結果から、厚さ０．８μｍ〜４μｍの酸化物超電導層は薄いものの方が剥離応力が高く、厚いものの方が剥離応力が小さいことが分かる。よって、酸化物超電導コイルに対し熱応力に応じた剥離応力が作用する場合、大きな剥離応力が作用する位置に厚さ０．８μｍ〜４μｍの酸化物超電導層において薄い酸化物超電導層を配置し、小さな剥離応力が作用する位置には厚い酸化物超電導層を配置することが熱応力に対し有効であると想定できる。
なお、先の例から、２０〜５５％の領域は熱応力が大きいとして薄い膜を使用する場合、膜厚に特に制限はない。目的とする超電導コイルに必要な臨界電流を発揮できる厚さの酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を０．８〜４μｍの範囲で選択し、他の領域に設けている酸化物超電導層より薄い酸化物超電導層を用いることが望ましい。
【００５３】
次に、酸化物超電導線材の磁場中特性について調査した。３Ｔ（テスラ）の磁場を発生可能な超電導マグネットを用いて測定対象の超電導線材が発生させる自己磁場と３Ｔの外部磁場中において、７７Ｋにおける超電導層の臨界電流密度（Ｊｃ）を測定した結果を図９に示す。また、３Ｔの外部磁場中において厚さの異なる酸化物超電導層（１．４μｍ、１．６μｍ、２．５μｍ、５．５μｍ）についてそれぞれの臨界電流密度（Ｊｃ：７７Ｋ：ＭＡ／ｃｍ２）を測定した。これらの結果を併せて図９に示す。図９は、酸化物超電導層の膜厚を変えて、外部磁場無しの自己磁場中の臨界電流密度Ｊｃと、３Ｔの外部磁場中の臨界電流密度Ｊｃを測定したことを意味する。
【００５４】
図９に示す結果から、自己磁場中においては酸化物超電導層を厚くした方が臨界電流密度が低くなる傾向があるが、３Ｔ磁場中では酸化物超電導層の厚さに対する依存性がほとんど見られない。図９は、酸化物超電導層が厚くなっても臨界電流密度が低下せず、厚くなるに従って臨界電流が大きくなることを意味する。
【符号の説明】
【００５５】
Ａ…超電導コイル、１…酸化物超電導線材、２…基材、３…ボビン、３Ａ…巻胴、３Ｂ…鍔板、４、４Ａ、４Ｂ…パンケーキコイル、５…中間層、６…酸化物超電導層、７…保護層（第一の金属安定化層）、８…第二の金属安定化層、９…超電導積層体、１０…被覆層、１１…含浸樹脂層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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