(57)【要約】【課題】安定化層線材と酸化物超電導層線材の種類によらず、これらを確実に接合して高品質の超電導線材を製造することが可能であり、かつ生産性および作業性の低下も生じない製造装置および方法の提供。【解決手段】安定化層線材１と酸化物超電導層線材２とをハンダを介して接合することによってテープ状の超電導線材７を製造する装置であって、安定化層線材１および酸化物超電導層線材２をハンダ層を介して重ね合わせた被複合化材６をハンダの溶融温度以上に加熱する予熱手段３と、予熱手段３を経た被複合化材６を加圧して安定化層線材１と酸化物超電導層線材２とを接合させて超電導線材７を得る加圧手段４とを備えた製造装置。加圧手段４は、被複合化材６の移動方向に対し、その位置を調整可能とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定化層線材と酸化物超電導層線材とをハンダを介して接合することによってテープ状の超電導線材を製造する装置であって、
前記安定化層線材を送り出す第１送出手段と、
前記酸化物超電導層線材を送り出す第２送出手段と、
前記安定化層線材および酸化物超電導層線材をハンダ層を介して重ね合わせた被複合化材を前記ハンダの溶融温度以上に加熱する予熱手段と、
前記予熱手段を経た被複合化材を加圧して前記安定化層線材と前記酸化物超電導層線材とを接合させて前記超電導線材を得る加圧手段と、を少なくとも備え、
前記加圧手段は、前記被複合化材の移動方向に対し、その位置を調整可能であることを特徴とする超電導線材の製造装置。
【請求項２】
前記加圧手段は、その表面温度が前記ハンダ溶融温度より低い温度となるものであることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材の製造装置。
【請求項３】
前記加圧手段は、少なくとも表面が軟質材で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導線材の製造装置。
【請求項４】
前記加圧手段の下流側に、前記超電導線材の移動方向をその厚さ方向にずらせる方向変更手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の超電導線材の製造装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の超電導線材の製造装置を用いて超電導線材を製造する方法であって、
前記被複合化材を、前記予熱手段に導入して前記ハンダの溶融温度以上に加熱し、
前記予熱手段を経た被複合化材を、前記加圧手段によって加圧して前記安定化層線材と前記酸化物超電導層線材とを接合させて前記超電導線材とするにあたって、
前記加圧手段の位置を、前記ハンダが凝固する前に被複合化材を前記加圧手段に導入し、加圧下で前記ハンダを凝固させることができる位置とすることを特徴とする超電導線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー貯蔵（ＳＭＥＳ）、変圧器、モーター、発電機などへの適用が可能な超電導線材を製造する装置および方法に関し、詳しくは、イットリウム系酸化物超電導体等の酸化物超電導体を用いた酸化物超電導層線材と、安定化層線材とを、ハンダを介して接合してテープ状の超電導線材を製造する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イットリウム系酸化物超電導体等の酸化物超電導体を用いた超電導線材は、テープ状の金属基材の上に、酸化物超電導体の薄膜をコーティングすることによって作製される。
超電導体にあっては、臨界温度と臨界電流と臨界磁界の３つのパラメータで規定される臨界条件の範囲内において超電導状態が維持されるが、超電導体の使用条件によっては、超電導体の一部が常電導状態となって発熱し、超電導体の全体が常電導状態に転移するクエンチ現象を引き起こすおそれがある。
そこで、クエンチ現象を阻止するため、超電導体に良導電性の金属製の安定化層を複合して設け、通電中に超電導体の一部が常電導状態になった場合に、電流を安定化層に流すことができるような構成を採用し、超電導状態の安定化を図ることがなされている。
【０００３】
安定化層を形成する装置としては、Ａｇからなる安定化層をスパッタリングあるいは蒸着などの成膜法により形成する装置（例えば特許文献１参照）などがあるが、超電導体の特性によっては厚い安定化層が必要となるため、近年では、テープ状の安定化層線材を超電導層線材に接合することが検討されている。
安定化層線材を超電導層線材に接合する装置としては、超電導層線材と安定化層線材とを溶融ハンダに浸漬させてハンダにより接合する装置（特許文献２参照）、超電導層線材と安定化層線材とをハンダを介して重ね合わせて加熱・加圧ロールに通すことによって、超電導層線材と安定化層線材とを接合する装置（特許文献３参照）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２３６６５２号公報
【特許文献２】特開２００８−６００７４号公報
【特許文献３】特開２００９−４８９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載の装置などのように、溶融ハンダに浸漬して形成したハンダ層を介して重ね合わせた複合線材を形成する技術では、超電導層線材と安定化層線材との接合が不十分になる場合があった。また、複合された線材全体がハンダに覆われるため、線材の幅や厚みが不均一になるおそれがあった。
また、特許文献３に記載の装置では、線材を加熱・加圧ロールに通すことによって、超電導層線材と安定化層線材とを密着させるとともにハンダを凝固させるが、線材の熱的な特性によっては、ハンダ凝固のタイミングが不適当となり、超電導層線材と安定化層線材との接合が不十分になるおそれがあった。
この問題は、線材の送り速度を制限したり、加熱、加圧等の条件設定の変更によってハンダ凝固のタイミングを調整すれば解決できることがあるが、その場合には生産性が低下したり、作業に手間がかかるなどの問題が生じていた。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、安定化層線材と酸化物超電導層線材の種類によらず、これらを確実に接合して高品質の超電導線材を製造することが可能であり、かつ生産性および作業性の低下も生じない製造装置および方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に係る発明は、安定化層線材と酸化物超電導層線材とをハンダを介して接合することによってテープ状の超電導線材を製造する装置であって、前記安定化層線材を送り出す第１送出手段と、前記酸化物超電導層線材を送り出す第２送出手段と、前記安定化層線材および酸化物超電導層線材をハンダ層を介して重ね合わせた被複合化材を前記ハンダの溶融温度以上に加熱する予熱手段と、前記予熱手段を経た被複合化材を加圧して前記安定化層線材と前記酸化物超電導層線材とを接合させて前記超電導線材を得る加圧手段と、を少なくとも備え、前記加圧手段が、前記被複合化材の移動方向に対し、その位置を調整可能である超電導線材の製造装置である。
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１において、前記加圧手段が、その表面温度が前記ハンダ溶融温度より低い温度となるものである超電導線材の製造装置である。
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記加圧手段が、少なくとも表面が軟質材で構成されている超電導線材の製造装置である。
本発明の請求項４に係る発明は、請求項１〜３のうちいずれか１項において、前記加圧手段の下流側に、前記超電導線材の移動方向を厚さ方向にずらせる方向変更手段が設けられている超電導線材の製造装置である。
【０００８】
本発明の請求項５に記載の超電導線材の製造方法は、請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の超電導線材の製造装置を用いて超電導線材を製造する方法であって、前記被複合化材を、前記予熱手段に導入して前記ハンダの溶融温度以上に加熱し、前記予熱手段を経た被複合化材を、前記加圧手段によって加圧して前記安定化層線材と前記酸化物超電導層線材とを接合させて前記超電導線材とするにあたって、前記加圧手段の位置を、前記ハンダが凝固する前に被複合化材を前記加圧手段に導入し、加圧下で前記ハンダを凝固させることができる位置とする超電導線材の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、加圧手段が、被複合化材の移動方向に対し、その位置を調整可能であるので、線材の熱的特性に応じて加圧手段の位置を最適化することによって、好適な条件で線材を接合できる。
例えば、ハンダが凝固する前に被複合化材を加圧手段に導入し、加圧下でハンダを凝固させることができる条件で線材を接合できる。
従って、線材の種類によらず、安定化層線材と酸化物超電導層線材とが確実に接合された超電導線材が得られる。
また、加圧手段の位置調整によって線材の接合の際の条件を最適化できるため、ハンダ凝固のタイミング調整を目的として線材の送り速度を制限する必要はなく、生産性の低下は生じない。
さらには、予熱手段の温度や加圧手段の圧力等を変更する必要もないことから、容易な操作で短時間のうちに装置の設定変更が可能であり、作業性は良好である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の超電導線材の製造装置の一実施形態の構成図である。
【図２】図１に示す製造装置の要部を示す図である。
【図３】試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の超電導線材の製造装置の一実施形態の構成図である。図２は、図１に示す製造装置の要部を示す図である。
図１に示すように、この製造装置１０は、安定化層線材１と酸化物超電導層線材２とをハンダを介して接合することによってこれらを複合化し、テープ状の超電導線材７を得る装置である。
製造装置１０は、安定化層線材１を送り出す第１送出手段１１と、酸化物超電導層線材２を送り出す第２送出手段１２と、被複合化材６を加熱する予熱炉３（加熱炉）（予熱手段）と、被複合化材６を加圧して超電導線材７とする加圧ロール４（加圧手段）と、超電導線材７の移動方向を変更する方向変更ロール５（方向変更手段）とを備えている。
【００１２】
安定化層線材１は、銅、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金、ニッケル、ステンレス鋼等の金属からなるテープ状の基材を用いることができる。厚さは５０μｍ〜２００μｍが好適である。
安定化層線材１の一方の面には、ハンダ層１ａ（例えば融点２３０℃）を、メッキ等により例えば２μｍ〜１０μｍ程度の厚さに形成するのが好ましい。
ハンダ層１ａを構成するハンダとしては、Ｓｎ系のもの（Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系など）が好適である。
第１送出手段１１は、例えば安定化層線材１を繰り出し可能なローラである。
【００１３】
酸化物超電導層線材２は、金属からなるテープ状の基材の上に、酸化物超電導体の薄膜が形成され、その上に、銀からなる安定化層が設けられた構造が好ましい。
基材の構成材料は、ニッケル合金（ハステロイなど）、ステンレス鋼、銅合金などが好ましい。
酸化物超電導体としては、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ、Ｙ２Ｂａ４Ｃｕ８Ｏｘ、Ｙ３Ｂａ３Ｃｕ６Ｏｘ、（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｃａ２Ｓｒ２Ｃｕ３Ｏｘ、（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｃａ２Ｓｒ３Ｃｕ４Ｏｘ、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ３Ｃｕ４Ｏｘなどに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体が好適である。
酸化物超電導体の薄膜は、パルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）等により形成することができる。
【００１４】
基材と酸化物超電導体薄膜との間には、中間層を設けてもよい。
中間層は、酸化物超電導体薄膜の結晶配向性を制御するものである。中間層の好ましい材質としては、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物が例示できる。中間層は、単層でもよいし、複数層でもよい。例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７からなる第１の中間層と、ＣｅＯ２からなる第２の中間層（キャップ層）とを形成することができる。
中間層の成膜法としては、イオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）、パルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）等が採用できる。
第２送出手段１２は、例えば酸化物超電導層線材２を繰り出し可能なローラである。
【００１５】
予熱炉３は、被複合化材６を前記ハンダの溶融温度（融点）以上に加熱できるように構成されている。図１および図２における符号３ａは予熱炉３の入口であり、符号３ｂは予熱炉３の出口である。
予熱炉３は、被複合化材６を前記ハンダの溶融温度より３０℃以上高温にできるものが好ましい。
【００１６】
図２に示すように、加圧ロール４、４は、一対が設けられ、これらの間で被複合化材６を厚さ方向に押圧可能である。加圧ロール４、４が被複合化材６に加える圧力は１００ＭＰａ以下とすることができる。
加圧ロール４、４は、被複合化材６の移動方向に対し、その位置（以下、移動方向位置という）を調整可能とされている。図示例では、加圧ロール４、４は所定範囲内で左右に移動でき、この範囲内で任意の位置に設置できる。
【００１７】
加圧ロール４、４の位置決め構造は、特に限定されないが、例えば、図２に示すように、加圧ロール４、４の軸部４ａを回転可能に支持する軸支フレーム９を備えた構造が可能である。
軸支フレーム９は被複合化材６の移動方向（図２における左右方向）に延在しており、この方向の任意の位置で軸部４ａを支持することができる。
【００１８】
加圧ロール４、４は、その表面温度を前記ハンダの溶融温度より低く設定できるものが好ましい。これによって、接触により被複合化材６を前記ハンダの溶融温度より低い温度に冷却できる。
加圧ロール４は、金属などの硬質材で構成してもよいが、少なくとも表面がシリコーンゴム等の樹脂などの軟質材からなる構成が望ましい。軟質材の使用によって、線材１、２に損傷が生じにくくなる。
【００１９】
加圧ロール４、４は、予熱炉３の下流側（前記移動方向の下流側）に設置することができる。
図２に示すように、予熱炉３の出口３ｂから、加圧ロール４、４が被複合化材６を加圧する位置（加圧位置８）までの距離Ｌ１は、ハンダ層１ａを構成するハンダの温度が、加圧位置８またはその近傍において溶融温度より低い温度にまで低下するように設定することができる。
【００２０】
方向変更ロール５は、加圧ロール４、４の下流側に設けられて超電導線材７の移動方向をその厚さ方向にずらせるものである。
図１に示す例では、方向変更ロール５によって超電導線材７の移動方向は下方にずらされ、加圧ロール４、４から方向変更ロール５までの間で、超電導線材７は、水平方向に移動する被複合化材６とは異なり、斜め下方に移動する。
これによって、加圧位置８を通過した後に、超電導線材７が加圧ロール４から直ちに離れるのではなく、所定の長さ領域で加圧ロール４（図示例では２つの加圧ロール４のうち下方のもの）で接するため、ハンダの凝固が遅れた場合でも線材１、２を確実に接合させることができる。
方向変更ロール５は、超電導線材７を冷却する機能も有する。
なお、本発明の製造装置は、方向変更ロールがない構成も可能である。
【００２１】
次に、製造装置１０を用いて超電導線材７を製造する方法の一例を説明する。
加圧ロール４、４の位置は、線材１、２の特性に応じて、ハンダ層１ａを構成するハンダの温度が加圧位置８またはその近傍において溶融温度より低い温度にまで低下するように予め設定される。
【００２２】
安定化層線材１のハンダ層１ａの面と、酸化物超電導層線材２の銀安定化層の面とを向かい合わせにして重ね合わせた状態として、これら線材１、２を入口３ａから予熱炉３内に導入し、ハンダ溶融温度以上の温度（例えば２５０℃以上）に加熱した。
【００２３】
この被複合化材６を予熱炉３の出口３ｂから導出し、ハンダが凝固する前に一対の加圧ロール４、４間（加圧位置８）に導入して、加圧するとともにハンダ溶融温度より低い温度（例えば加圧ロール４表面で１６０〜２２０℃）に冷却することができる。
これによって、加圧下でハンダを凝固させることができるため、安定化層線材１と酸化物超電導層線材２とが確実に接合された超電導線材７を効率よく連続生産することが可能である。
【００２４】
安定化層線材１および酸化物超電導層線材２の熱的な特性、例えば熱容量、熱伝導率は、厚さや材質により変化する。特に、安定化層線材１の基材の厚さは熱的特性に及ぼす影響が大きい。
このため、線材１、２の熱的特性によっては、ハンダの凝固が早まりまたは遅れることが考えられるが、その場合には、加圧ロール４、４の移動方向位置を調整することで、安定化層線材１と酸化物超電導層線材２との接合が不十分になるのを防ぐことができる。
【００２５】
例えば、熱容量が小さい線材１、２は、予熱炉３を出た後の温度低下が速いが、この場合には加圧ロール４、４を予熱炉３に比較的近い位置（図２に符号４Ａで示す位置）に配置する。
これによって、ハンダが凝固する前に被複合化材６を加圧ロール４、４に導入し、加圧下でハンダを凝固させることができる。
一方、熱容量が大きい線材１、２は、予熱炉３を出た後の温度低下が遅いが、この場合には加圧ロール４、４を予熱炉３から比較的離れた位置（図２に符号４Ｂで示す位置）に配置する。
これによって、ハンダの温度が凝固点に近い温度まで低下してから被複合化材６を加圧ロール４、４に導入し、加圧下でハンダを凝固させることができる。
【００２６】
このように、製造装置１０では、加圧ロール４、４の位置を調整可能であるため、線材１、２の熱的特性に応じて加圧ロール４、４の位置を最適化することによって、好適な条件で線材１、２を接合できる。
このため、ハンダ凝固のタイミング調整を目的として線材１、２の送り速度を制限する必要はなく、生産性の低下は生じない。
また、加圧ロール４、４の位置調整によって、線材１、２の接合の際の条件を最適化できるため、予熱炉３の温度や加圧ロール４、４の圧力等を変更する必要がないことから、容易な操作で短時間のうちに装置の設定変更が可能であり、作業性は良好である。
以上より、製造装置１０では、線材１、２の種類によらず、線材１、２を確実に接合して高品質の超電導線材７を製造することが可能であり、しかも生産性および作業性の低下が生じることはない。
【実施例】
【００２７】
（実施例１〜３）
厚さ０．１ｍｍのハステロイＣ２７６からなる基材上に、イオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により厚さ１μｍのＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７からなる中間層を成膜し、その上にパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ法）により厚さ０．５μｍのＣｅＯ２からなるキャップ層を形成し、その上にＰＬＤ法によりイットリウム系酸化物超電導体（Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ）からなる厚さ２μｍの酸化物超電導薄膜を形成し、その上に、銀からなる厚さ７μｍの銀安定化層を形成して酸化物超電導層線材２を得た。酸化物超電導層線材２の幅は５ｍｍとし、長さは１ｍとした。
【００２８】
厚さ０．１ｍｍの銅からなるテープ状の基材の一方の面にメッキにより厚さ２μｍのＳｎ系ハンダ層１ａを形成した。
安定化層線材１の幅は５ｍｍとし、長さは１ｍとした。
【００２９】
図１および図２に示す製造装置１０を用いて、次のようにして超電導線材７を製造した。
安定化層線材１のハンダ層１ａの面と、酸化物超電導層線材２の銀安定化層の面とを向かい合わせにして重ね合わせた状態として入口３ａから予熱炉３内に導入した。
予熱炉３内の温度は、ハンダの溶融温度プラス３０℃に設定した。
この被複合化材６を予熱炉３の出口３ｂから導出し、加圧ロール４、４によって加圧するとともにハンダ溶融温度より低い温度に冷却した。加圧ロール４、４の表面温度はハンダの溶融温度マイナス４０℃に設定した。
これによって、安定化層線材１と酸化物超電導層線材２とが接合された超電導線材７を得た。
線材１、２の送り速度は、２５ｍ／ｈ（実施例１）、５０ｍ／ｈ（実施例２）、または１００ｍ／ｈ（実施例３）とした。
【００３０】
実施例１〜３で得られた超電導線材７について、線材１、２が互いに接合された部分の幅（接合幅）を測定し、全幅に対する割合を算出した。結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
2011014404.tif 000003
【００３２】
表１より、線材１、２の送り速度によって接合幅が変化することがわかる。
【００３３】
（実施例４〜６）
厚さ０．１ｍｍ（実施例４）、厚さ０．３ｍｍ（実施例５）、または厚さ０．５ｍｍ（実施例６）の銅からなるテープ状基材の一方の面にメッキにより厚さ２μｍのＳｎ系ハンダ層１ａを形成した安定化層線材１を用意した。
酸化物超電導層線材２は実施例１と同様のものを用いた。線材１、２の送り速度は１００ｍ／ｈとした。
その他の試験条件は実施例１と同様として、超電導線材７を製造した。
予熱炉３の出口３ｂから加圧ロール４、４の加圧位置８までの距離Ｌ１（図２参照）を０〜１５ｃｍの範囲で変化させたときの線材１、２の接合幅を測定し、全幅に対する割合を算出した。結果を図３に示す。
【００３４】
図３より、比較的厚い基材を用いた安定化層線材１を使用する場合には、距離Ｌ１が短すぎる場合、長すぎる場合のいずれも接合幅は狭くなるが、距離Ｌ１を最適な値に設定することで接合幅は極大となることがわかる。
【符号の説明】
【００３５】
１・・・安定化層線材、１ａ・・・ハンダ層、２・・・酸化物超電導層線材、３・・・予熱炉（予熱手段）、４・・・加圧ロール（加圧手段）、５・・・方向変更ロール（方向変更手段）、６・・・被複合化材、７・・・超電導線材、１０・・・製造装置、１１・・・第１送出手段、１２・・・第２送出手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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