(57)【要約】【課題】品質の維持およびコストの低減を図りつつ、安定化層のうち超電導積層体の側面を覆う部分を厚くした超電導線材を提供する。【解決手段】超電導線材１０は、基材１および超電導層３を有する超電導積層体５と、超電導積層体５の側面５ａに沿って配置された支持線６と、超電導積層体５および支持線６を一体に覆う安定化層７と、を備える。【選択図】図２
2019128982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材および超電導層を有する超電導積層体と、
前記超電導積層体の側面に沿って配置された支持線と、
前記超電導積層体および前記支持線を一体に覆う安定化層と、を備える超電導線材。
【請求項２】
前記安定化層がめっきにより形成されている、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項３】
前記支持線の直径が前記超電導積層体の厚みよりも小さい、請求項１または２に記載の超電導線材。
【請求項４】
前記支持線の周囲にはんだ層が設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の超電導線材。
【請求項５】
前記支持線と前記超電導積層体との間の間隔が、前記安定化層の厚さよりも小さい、請求項１から４のいずれか１項に記載の超電導線材。
【請求項６】
基材および超電導層を有する超電導積層体の側面に支持線を沿わせ、
前記超電導積層体および前記支持線の周囲にめっきによって安定化層を形成する、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、超電導線材および超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、下記特許文献１に示されるような超電導線材が知られている。この超電導線材は、基材、中間層、および超電導層を有する超電導積層体と、超電導積層体を覆う安定化層と、を備えている。また、下記特許文献１には、安定化層のうち超電導積層体の側面を覆う部分を厚くすることで、過電流を適切にバイパスさせつつ、製造コストを低減することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−８８４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、安定化層は一般的にめっきにより形成される。めっきによる場合、安定化層の厚みは略均一となるため、超電導積層体の側面を覆う部分のみを厚くすることは容易ではない。
また、例えば超電導積層体の側面のみを複数回めっきする場合には、いわゆるドッグボーンが生じたり、コストアップにつながったりするため、品質およびコストの面で課題があった。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、品質の維持およびコストの低減を図りつつ、安定化層のうち超電導積層体の側面を覆う部分を厚くした超電導線材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る超電導線材は、基材および超電導層を有する超電導積層体と、前記超電導積層体の側面に沿って配置された支持線と、前記超電導積層体および前記支持線を一体に覆う安定化層と、を備える。
【０００７】
上記第１の態様によれば、支持線を覆うように安定化層が形成されることで、安定化層のうち超電導積層体の側面を覆う部分の実質的な厚みが大きくなる。従って、例えば超電導積層体の側面のみを複数回めっきする場合と比較して、ドッグボーンなどが生じにくくなるとともに、製造コストを抑えることができる。
【０００８】
ここで、前記安定化層がめっきにより形成されていてもよい。
【０００９】
この場合、超電導積層体と支持線との間の隙間を埋めるように安定化層を形成することができる。従って、超電導線材の内部に空気などが入り込むことが抑止され、超電導線材の品質を安定させることができる。
【００１０】
また、前記支持線の直径が前記超電導積層体の厚みよりも小さくてもよい。
【００１１】
この場合、超電導線材全体の厚みを小さくすることが可能となり、超電導線材の電流密度を大きくすることができる。また、例えば超電導線材をコイル状に巻く場合に、支持線の直径が小さいことで超電導線材を所望の形状に変形させやすくなる。
【００１２】
また、前記支持線の周囲にはんだ層が設けられていてもよい。
【００１３】
この場合、安定化層を形成する前に、はんだ層によって支持線を超電導積層体に対して固定することができる。これにより、超電導積層体と支持線との位置関係が安定し、安定化層を安定して形成することができる。
【００１４】
また、前記支持線と前記超電導積層体との間の間隔が、前記安定化層の厚さよりも小さくてもよい。
【００１５】
この場合、支持線および超電導積層体を覆うように安定化層を形成することで、支持線と超電導積層体との間が、安定化層によって自ずと埋められる。従って、超電導線材の製造がより容易となる。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る超電導線材の製造方法は、基材、および超電導層を有する超電導積層体の側面に支持線を沿わせ、前記超電導積層体および前記支持線の周囲にめっきによって安定化層を形成する。
【００１７】
上記第２の態様によれば、支持線を覆うように安定化層が形成されることで、安定化層のうち超電導積層体の側面を覆う部分の実質的な厚みが大きくなる。従って、例えば超電導積層体の側面のみを複数回めっきする場合と比較して、ドッグボーンなどが生じにくくなるとともに、製造コストを抑えることができる。また、超電導積層体と支持線との間の隙間を埋めるように安定化層が形成されるため、超電導線材の内部に空気などが入り込むことが抑止され、超電導線材の品質を安定させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の上記態様によれば、品質の維持およびコストの低減を図りつつ、安定化層のうち超電導積層体の側面を覆う部分を厚くした超電導線材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態の超電導線材を用いた超電導コイルの概略図である。
【図２】本実施形態の超電導線材の横断面図である。
【図３】（ａ）はめっき装置の概略図である。（ｂ）は（ａ）のIII方向矢視図である。
【図４】図３（ｂ）の変形例を示す図である。
【図５】図２の超電導線材の変形例を示す図である。
【図６】図２の超電導線材の他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本実施形態に係る超電導線材および超電導コイルについて、図１〜図２を参照しながら説明する。
まず、超電導コイルの構成について説明する。図１に示すように、超電導コイル１００は、コイル状に巻かれた超電導線材１０と、隣り合う超電導線材１０同士を固定する固定部材１１と、を備え、全体としてリング状（パンケーキ状）に形成されている。固定部材１１としては、接着性を有する樹脂などを用いることができる。固定部材１１は、コイル状に巻かれた超電導線材１０の形状を維持する役割を有する。
【００２１】
図２は、超電導線材１０単体の横断面図である。図２に示すように、超電導線材１０は、超電導積層体５と、一対の支持線６と、超電導積層体５および一対の支持線６を一体に覆う安定化層７と、を備えている。
超電導積層体５は、基材１、中間層２、超電導層３、および保護層４を有している。
【００２２】
（方向定義）
ここで本実施形態では、基材１の厚み方向（図２のＺ方向）を単に厚み方向といい、基材１の幅方向（図２のＸ方向）を単に幅方向という。また、基材１の長手方向（Ｚ方向およびＸ方向の双方に直交する方向）を、単に長手方向という。また、長手方向に直交する超電導線材１０の断面を横断面という。
【００２３】
（基材）
基材１は、耐熱性の高い金属によって、テープ状に形成されている。基材１がテープ状であることにより、超電導線材１０の全体が可撓性を有している。基材１の材質としては、ニッケル合金などを用いることができる。具体的には、ハステロイ（登録商標）が好適である。または、配向基板と呼ばれる金属の結晶の並びを揃えた（配向させた）ものを基板として用いることができる。配向基板を用いる場合では、後述する中間層２を形成せずに、基材１に直接、結晶方位の揃った超電導層３を形成することができる。
基材１の厚さは、例えば１０〜５００μｍである。
【００２４】
（中間層）
中間層２は、基材１と超電導層３との間に設けられている。中間層２は、基材１側から超電導層３側に向かう順に、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有している。なお、これらの層は必ずしも各１層ずつ設けられるとは限らず、一部の層を省略したり、同種の層を２以上繰り返し積層したりしてもよい。
【００２５】
中間層２の拡散防止層は、基材１の成分の一部が拡散し、不純物として超電導層３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、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）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。
【００２６】
中間層２のベッド層は、基材１と超電導層３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させる機能を有する。ベッド層の材質としては、例えばＹ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等が挙げられる。ベッド層の厚さは、例えば１０〜１００ｎｍである。
【００２７】
中間層２の配向層は、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、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を用いることができる。配向層はＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）法で形成することが好ましい。
【００２８】
中間層２のキャップ層は、上記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、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＬａＭｎＯ３等が挙げられる。キャップ層の厚さは、例えば５０〜５０００ｎｍである。
なお、前述したとおり、基材１として配向基板を用いた場合では、中間層２を形成せずに、基材１に直接、超電導層３を形成することができる。
【００２９】
（超電導層）
超電導層３は、酸化物超電導体によって形成されていてもよく、その他の超電導体によって形成されていてもよい。本実施形態の超電導層３は、酸化物超電導層である。酸化物超電導層の材質としては、通常知られている酸化物超電導体の組成を広く適用することができる。例えば、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）で形成される材料、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ）を用いることができる。また、その他の酸化物超電導体、例えば、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ４＋２ｎ＋δ等に代表される、臨界温度の高い他の酸化物超電導体を用いてもよい。超電導層３の厚みは、０．５〜５μｍ程度であって、均一な厚みであることが好ましい。
【００３０】
（保護層）
保護層４は、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、超電導層３とその他の層との間で起こる化学反応を抑制したりする機能を有する。保護層４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４は、超電導層３の側面、中間層２の側面、基材１の側面及び裏面の一部または全部を覆っていてもよい。保護層４は２種以上の金属又は２層以上の金属層から構成されてもよい。
保護層４は、一般的に、スパッタリング法または蒸着法などによって形成される。保護層４の厚さは、例えば１〜３０μｍ程度である。
【００３１】
図２の例では、基材１の裏面および超電導層３の表面を覆うように保護層４が形成されている。なお、保護層４は超電導積層体５の側面５ａを覆うように形成されていてもよい。また、図示は省略するが、超電導積層体５の周囲には、第２保護層、第３保護層が形成されていてもよい。第２、第３保護層は、スパッタリング法または蒸着法などによって形成されていてもよい。
【００３２】
（安定化層）
安定化層７は、銅などの金属により形成されている。安定化層７は、超電導積層体５および一対の支持線６を一体に覆っている。安定化層７の厚さは、例えば１０〜３００μｍ程度である。
安定化層７は、超電導層３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有する。安定化層７の構成材料としては、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。
【００３３】
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７に高抵抗金属を用いてもよい。高抵抗金属としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ等のＮｉ系合金などが挙げられる。
安定化層７は、電解めっきにより形成することができる。銅の安定化層７を電解めっきにより形成する場合、めっき液としては、硫酸銅水溶液（ＣｕＳＯ４）などが用いられる。
【００３４】
ここで、安定化層７のうち、超電導積層体５の側面５ａを覆う部分の厚み（以下、厚みＷと示す）を大きくすることで、上記バイパス機能をより確実に奏功させることができる。
また、図１に示すように超電導線材１０同士を固定部材１１で固定すると、固定部材１１と超電導線材１０との線膨張係数が異なることで、温度変化に起因して超電導線材１０に引張り応力が作用する場合がある。特に、超電導線材１０のうち、固定部材１１のエッジ部（例えば図１の点Ａ）の近傍に、このような引張り応力が集中しやすい。そこで、厚みＷを大きくして固定部材１１のエッジ部から超電導積層体５を遠ざけ、引っ張り応力が超電導積層体５に作用しにくくすることが好ましい。
【００３５】
一方、安定化層７をめっきにより形成する場合には、安定化層７の厚みは均一になるため、厚みＷのみを大きくすることが難しい。また、例えば超電導積層体５の側面５ａに対してのみ、めっきを複数回施す場合には、いわゆるドッグボーンが生じたり、コストアップにつながったりするため、品質およびコストの面で課題があった。
そこで本実施形態の超電導線材１０は、図１、２に示すように、超電導積層体５の側面５ａに沿って配置された一対の支持線６を備えている。
【００３６】
（支持線）
一対の支持線６は、幅方向で超電導積層体５を挟むように配置されている。安定化層７は、超電導積層体５と、一対の支持線６とを一体に覆っている。図示の例では、超電導積層体５の側面５ａと支持線６とが離れて配置され、両者の間に安定化層７が入り込んでいる。支持線６と超電導積層体５の側面５ａとの間の間隔は、安定化層７の厚さよりも小さくなっている。なお、支持線６は、側面５ａに接していてもよい。
本実施形態では、支持線６の直径が、超電導積層体５の厚みよりも小さい。支持線６の直径は、例えば１００μｍ程度である。
【００３７】
支持線６としては、導電性を有する材質を好適に用いることができる。この場合、電解めっきによって、支持線６の周囲に安定化層７を形成することができる。また、支持線６は、安定化層７と同様の材質（例えば銅）であってもよい。この場合、支持線６にも、安定化層７と同様のバイパス機能を発揮させることができる。また、支持線６は、安定化層７よりも強度の大きい材質であってもよい。この場合、超電導線材１０の強度を高めることができる。
【実施例】
【００３８】
以下、具体的な実施例を用いて、超電導線材１０の製造方法について説明する。なお、以下の実施例は本発明を限定するものではない。
【００３９】
まず、基材１を準備する。本実施例では、基材１として、幅１２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、厚さ０．７５ｍｍのハステロイ（登録商標）Ｃ−２７６を用いた。
次に、基材１を研磨し、アセトンで脱脂・洗浄する。
次に、中間層２の拡散防止層として、Ａｌ２Ｏ３の層を、イオンビームスパッタにより成膜する。
次に、中間層２のベッド層として、Ｙ２Ｏ３の層を、Ａｌ２Ｏ３層の表面上にイオンビームスパッタにより成膜する。
【００４０】
次に、中間層２の配向層として、ＭｇＯの層を、Ｙ２Ｏ３層の表面上にイオンビームアシスト蒸着法により成膜する。
次に、中間層２のキャップ層として、ＣｅＯ２の層を、ＭｇＯ層の表面上にパルスレーザー蒸着法により成膜する。
次に、超電導層３として、ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏｙの層を、ＣｅＯ２層の表面上にパルスレーザー蒸着法により成膜する。
次に、保護層４として、基材１の裏面および超電導層３の表面に、スパッタリングによってＡｇの層を成膜する。
次に、酸素アニール処理および細線化処理（スリット加工）を行う。
次に、保護層４の表面に、スパッタリングによってＣｕの層を成膜する。
【００４１】
次に、上記のようにして得られた超電導積層体５に対して、図３（ａ）に示すようなめっき装置を用いて、安定化層７を形成する。図３（ａ）に示すように、めっき装置は、第１プーリＰ１、めっき浴Ｂ、および第２プーリＰ２を備えている。めっき浴Ｂ内には、めっき液として、硫酸銅水溶液が満たされている。
図３（ｂ）は、図３（ａ）のIII方向矢視図である。図３（ｂ）に示すように、第１プーリＰ１は、胴部２１および一対の鍔部２２を有している。一対の支持線６は、超電導積層体５を幅方向で挟むように、鍔部２２同士の間に配置される。これにより、各支持線６は超電導積層体５の側面５ａに沿った状態となる。この状態で、超電導積層体５および一対の支持線６をめっき浴Ｂに送り、電解めっきを施す。これにより、超電導積層体５および一対の支持線６を一体に覆うように安定化層７が形成され、図２に示すような断面の超電導線材１０が得られる。
【００４２】
以上説明したように、本実施例では、超電導積層体５およびその側面５ａに沿って配置された支持線６を一体に覆うように安定化層７が形成されている。これにより、安定化層７のうち超電導積層体５の側面５ａを覆う部分の厚みＷが、安定化層７の他の部分の厚みよりも自ずと大きくなる。従って、超電導積層体５の側面５ａのみを複数回めっきして厚みＷを大きくする場合と比較して、ドッグボーンなどが生じにくくなり品質が安定するとともに、製造コストを抑えることができる。
【００４３】
また、めっきによって安定化層７を形成することで、超電導積層体５と支持線６との間の隙間が安定化層７により埋められる。従って、超電導線材１０の内部に空気などが入り込むことが抑止され、超電導線材１０の品質を安定させることができる。
【００４４】
また、支持線６の直径が超電導積層体５の厚みよりも小さいため、超電導線材１０全体の厚みを小さくすることが可能となり、超電導線材１０の電流密度を大きくすることができる。また、例えば超電導線材１０をコイル状に巻く場合に、支持線６の直径が小さいことで、超電導線材１０を所望の形状に変形させやすくなる。
【００４５】
また、支持線６と超電導積層体５との間の間隔が、安定化層７の厚みよりも小さいため、安定化層７をめっきによって形成する際に、支持線６と超電導積層体５との間の隙間が安定化層７によって自ずと埋められる。従って、超電導線材１０の製造がより容易となる。
【００４６】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００４７】
例えば図４に示すように、周囲にはんだ層６ａが設けられた支持線６を超電導積層体５の側面５ａに沿わせてもよい。この場合、例えば第１プーリＰ１の胴部２１若しくは鍔部２２に加熱機構を設けることで、めっき浴Ｂに到達する前に、予め支持線６を超電導積層体５にはんだで固定することができる。これにより、安定化層７を形成する際に、超電導積層体５と支持線６との位置関係が安定する。従って、安定化層７を安定して形成することができる。なお、はんだを加熱する前に、はんだ層６ａを有する支持線６および超電導積層体５にフラックスを塗布してもよい。
【００４８】
また、超電導線材１０は、図５または図６に示すような断面形状を有していてもよい。
図５の例では、安定化層７のうち、支持線６を覆う部分が、横断面視で略円形状となっている。
図６の例では、支持線６の直径が超電導積層体５の厚みよりも大きくなっている。
【００４９】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１…基材  ２…中間層  ３…超電導層  ４…保護層  ５…超電導積層体  ５ａ…側面  ６…支持線  ６ａ…はんだ層  ７…安定化層  １０…超電導線材  １１…固定部材  １００…超電導コイル
【図１】
2019128982.tif 000003
【図２】
2019128982.tif 000004
【図３】
2019128982.tif 000005
【図４】
2019128982.tif 000006
【図５】
2019128982.tif 000007
【図６】
2019128982.tif 000008