(57)【要約】【課題】接続に用いる線材において過大な電圧が加わることが無く信頼性の高い酸化物超電導線材の接続構造体の提供を目的とする。【解決手段】テープ状の一対の酸化物超電導線材と接続用酸化物超電導線材とを有し、前記一対の酸化物超電導線材の端部同士が隣接して配置され、前記接続用酸化物超電導線材が前記端部間に跨るように橋渡しして接合された接続構造体であって、前記一対の酸化物超電導線材の臨界電流値に対し前記接続用酸化物超電導線材の臨界電流値が高いことを特徴とする酸化物超電導線材の接続構造体。【選択図】図２
2015035308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の一対の酸化物超電導線材と接続用酸化物超電導線材とを有し、前記一対の酸化物超電導線材の端部同士が隣接して配置され、前記接続用酸化物超電導線材が前記端部間に跨るように橋渡しして接合された接続構造体であって、
前記一対の酸化物超電導線材の臨界電流値に対し前記接続用酸化物超電導線材の臨界電流値が高いことを特徴とする酸化物超電導線材の接続構造体。
【請求項２】
前記一対の酸化物超電導線材の臨界電流値に対し前記接続用酸化物超電導線材の臨界電流値が５％以上高いことを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導線材の接続構造体。
【請求項３】
前記請求項１又は２に記載の酸化物超電導線材の接続構造体を有する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、酸化物超電導線材の接続構造体、及びこれを備えた超電導機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年Ｂｉ系酸化物超電導線材Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ（Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ（Ｂｉ２２２３）やＲＥ−１２３系酸化物超電導線材ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（ＲＥ１２３：ＲＥはＹやＧｄなどを含む希土類元素）といった酸化物超電導線材の開発が進んでいる。これら酸化物超電導線材は、臨界温度が９０〜１１０Ｋ程度であり、液体窒素温度以上で超電導性を示すため、実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体あるいは超電導コイル等として使用することが要望されている。
【０００３】
Ｂｉ系の酸化物超電導線材は、Ｂｉ系の酸化物超電導層をＡｇのシース材で被覆した状態となるようにＰｏｗｄｅｒ  Ｉｎ  Ｔｕｂｅ法（ＰＩＴ法）などにより製造された構造となっている。一方、ＲＥ−１２３系酸化物超電導線材は、テープ状の金属基材上に中間層を介し超電導層を積層し、さらに前記超電導層上に、良導電性金属材料からなる保護層及び安定化層を設けた構造が採用されている。これらの酸化物超電導線材を実用機器に応用するために、酸化物超電導線材を接続する技術が要望されている。
例えば、特許文献１には、図１１に示すように、基材１１１上に中間層１１２、超電導層１１３、保護層１１４、安定化層１１５を積層した一対の第１超電導線材１１０、１１０の、端部近傍の安定化層１１５を剥がして、基材１２１上に中間層１２２、超電導層１２３、保護層１２４を積層した第２超電導線材１２０を介して接続し接続構造体１２５を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２３４９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超電導線材は、臨界温度以下において抵抗値がゼロであるため電圧は発生しない。しかしながら、流れる電流Ｉが臨界電流値Ｉｃに近づくと、Ｖ∝Ｉｎ（ｎ値は定数）で表される電圧Ｖが発生する。一般的に酸化物超電導線材の臨界電流値Ｉｃの測定は、酸化物超電導線材に徐々に大きな電流を流していき１ｃｍあたり１μＶの電圧が発生する電流値を臨界電流値として判定している。
図１１に示すように接続した接続構造体１２５の臨界電流値Ｉｃ１２５は、接続された一対の第１超電導線材１１０、１１０の両側に電流を流し、接続構造体１２５全体の長さに対して、１μＶ／ｃｍの電圧が見られた電流値として判定する。
【０００６】
ところで、接続に用いる第２超電導線材１２０は、長尺に形成された超電導線材の一部を切断して作製される。また、接続工程においては、半田付けなどの接合手段によって熱を加えて接合される。さらに、使用時においては、接続部に曲げを加えると、当該第２超電導線材１２０の接合部に応力が集中する。このように第２超電導線材１２０には、接合時の切断工程、加熱工程、また応力の集中等によって負荷がかかり易いため、超電導特性が劣化し第２超電導線材１２０の臨界電流値Ｉｃ１２０が低下してしまうことが懸念される。加えて、第１超電導線材１１０、１１０と第２超電導線材１２０を接合する半田は、所定の抵抗値を有するため電流を流すと発熱する。したがって、この接続構造体１２５に電流を流すと第２超電導線材１２０がその両端部の半田から発する熱により加熱され温度上昇し、第２超電導線材１２０の臨界電流値Ｉｃ１２０が下がることが考えられる。
【０００７】
流れる電流が臨界電流値Ｉｃに近づくと、超電導線材に発生する電圧Ｖは急激に大きくなる。したがって、第２超電導線材１２０の臨界電流値Ｉｃ１２０が、第１超電導線材１１０、１１０の臨界電流値Ｉｃ１１０に対して低い場合において、接続構造体１２５の両端から徐々に大きな電流を流していくと、臨界電流値の低い第２超電導線材１２０の電圧のみが先行して急激に大きくなり、第１超電導線材１１０の電圧がほとんどない状態で、接続構造体１２５としての臨界電流値Ｉｃ１２５に達する。
第２超電導線材１２０の電流が流れる部分は、実質的に第１超電導線材１１０の先端同士の距離ｐに該当する部分である。したがって、この接続構造体１２５の全長に亘る電圧が１μＶ／ｃｍに達する際には、全長に対して非常に短い距離ｐの第２超電導線材１２０に、過大な電圧が発生することになる。
また、この接続構造体１２５の全長に亘る電圧が、１μＶ／ｃｍに達する際においては、一対の第１超電導線材１１０、１１０における電圧はわずかであり、距離ｐの電圧により、接続構造体１２５全体の臨界電流値Ｉｃ１２５が、低く見積もられてしまうことになる。
【０００８】
本発明は、以上のような実情に鑑みなされたものであり、接続に用いる線材に過大な電圧が加わることがなく信頼性の高い酸化物超電導線材の接続構造体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】
【０００９】
上述の課題を解決するため本発明の酸化物超電導線材の接続構造体は、テープ状の一対の酸化物超電導線材と接続用酸化物超電導線材とを有し、前記一対の酸化物超電導線材の端部同士が隣接して配置され、前記接続用酸化物超電導線材が前記端部間に跨るように橋渡しして接合された接続構造体であって、前記一対の酸化物超電導線材の臨界電流値に対し前記接続用酸化物超電導線材の臨界電流値が高いことを特徴とする。
本発明の酸化物超電導線材の接続構造体は、一対の酸化物超電導線材の端部間に跨って接合される接続用酸化物超電導線材の臨界電流値を、一対の酸化物超電導線材の臨界電流値より高くしているため、接続構造体に流れる電流値が臨界電流値に近づいた場合であっても、接続用酸化物超電導線材に過大な電圧が加わることがなく、安定した性能を発揮できる。
【００１０】
また、本発明の酸化物超電導線材の接続構造体は、前記一対の酸化物超電導線材の臨界電流値に対し前記接続用酸化物超電導線材の臨界電流値が５％以上高いことが好ましい。
酸化物超電導線材の接続構造体においては、接続しようとする一対の酸化物超電導線材と接続用酸化物超電導線との接合部（例えば半田等の導電性接合材）が電流を流すことで発熱し、この熱により接続用酸化物超電導線材の臨界電流値が下がる懸念がある。これにより、接続用酸化物超電導線材の臨界電流値が、一対の酸化物超電導線材よりも低くなると、この接続構造に臨界電流値に近い電流を流した場合に、接続用酸化物超電導線材に過大な電圧が加わる虞がある。接続用酸化物超電導線材の臨界電流値を一対の酸化物超電導線材の臨界電流値より５％以上高くすることで、接合部の発熱により接続用酸化物超電導線材に０．７Ｋ以下の温度上昇が起きた場合であっても、一対の酸化物超電導線材の臨界電流値より、接続用酸化物超電導線材の臨界電流値を高くすることができ信頼性の高い接続構造体を提供することができる。
【００１１】
本発明の超電導機器は、前記酸化物超電導線材の接続構造体を有することを特徴とする。
前記接続構造体により接続された酸化物超電導線材を超電導機器に用いることで、高い信頼性を有する超電導機器を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の酸化物超電導線材の接続構造体は、接続用酸化物超電導線材の臨界電流値を接続しようとする一対の酸化物超電導線材の臨界電流値より高くしているため、接続構造体に流れる電流値が臨界電流値に近づいた場合であっても、接続用酸化物超電導線材の一部に過大な電圧が加わることがなく、安定した性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る接続構造体の第１実施形態が適用される酸化物超電導線材の一例を示す断面模式図である。
【図２】本発明に係る接続構造体の第１実施形態を示す断面模式図である。
【図３】超電導ケーブルの一例を示す部分断面略図である。
【図４】超電導限流器の一例を示す断面図である。
【図５】超電導モータの一例を示し、図５（ａ）は、全体構成を示す部分断面図、図５（ｂ）は、各構成部品の位置関係を示す模式図である。
【図６】超電導コイルの一例を示し、図６（ａ）は、超電導コイルの積層体を示す斜視図、図６（ｂ）は、超電導コイル単体を示す斜視図である。
【図７】本発明に係る接続構造体に適用可能な酸化物超電導線材の一例を示す断面模式図である。
【図８】実施例１の接続構造体において、一対の酸化物超電導線材、並びに当該一対の酸化物超電導線材を橋渡しして接続する接続用酸化物超電導線材の電流値と電圧の関係を示すグラフであり、図８（ａ）は縦軸として電圧をとり、図８（ｂ）は縦軸として電界をとったグラフを示し、図８（ｃ）は図８（ｂ）の２００〜２５０Ａの電流値の範囲を拡大したグラフを示す。
【図９】比較例１の接続構造体において、一対の酸化物超電導線材、並びに当該一対の酸化物超電導線材を橋渡しして接続する接続用酸化物超電導線材の電流値と電圧の関係を示すグラフである。
【図１０】比較例２の接続構造体において、一対の酸化物超電導線材、並びに当該一対の酸化物超電導線材を橋渡しして接続する接続用酸化物超電導線材の電流値と電圧（電界）の関係を示すグラフであり、図１０（ａ）は縦軸として電圧をとり、図１０（ｂ）は縦軸として電界をとったものを示す。
【図１１】従来例の接続構造体を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る酸化物超電導線材の一実施形態について図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴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。
【００１５】
（酸化物超電導線材）
図１は、本発明に係る接続構造体を構成するための酸化物超電導線材の一例構造を示す断面模式図である。本実施形態の酸化物超電導線材１は、基材１０の一面上に中間層１１と酸化物超電導層１２と第１安定化層１３とがこの順に積層されてなる超電導積層体１５の外周面上に、第２安定化層１４が形成されている。
なお、図１に示す酸化物超電導線材１は、本発明の特徴をわかりやすくするため、便宜上、各層の厚さを誇張して記載しているが、本実施形態の酸化物超電導線材１は全体として薄いテープ形状とされている。また、以下の実施形態を示す各図においても本発明の特徴をわかりやすくするため、要部となる部分を拡大あるいは誇張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。
【００１６】
前記基材１０は、長尺とするためにテープ状であることが好ましく、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）に代表されるニッケル合金などの耐熱性に優れた高強度の金属材料からなる。また、基材１０として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材を適用することもできる。基材１０の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。
【００１７】
中間層１１は、酸化物超電導層１２の結晶配向性を制御し、基材１０中の金属元素の酸化物超電導層１２側への拡散を防止し、両者の物理的特性（熱膨張率や格子定数等）の差を緩和するバッファー層として機能する金属酸化物からなることが好ましい。中間層１１は、一例として、拡散防止層とベッド層と配向層とキャップ層の積層構造とすることができるが、拡散防止層とベッド層の一方あるいは両方を略して構成しても良い。
拡散防止層は、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成され、例えば厚さ１０〜４００ｎｍに形成される。
ベッド層は、界面反応性を低減し、その上に形成される膜の配向性を得るため層であり、Ｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等からなり、その厚さは例えば１０〜１００ｎｍである。
【００１８】
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、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を例示することができる。この配向層をＩＢＡＤ（Ｉｏｎ−Ｂｅａｍ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により良好な２軸配向性で成膜するならば、キャップ層とその上に成膜する酸化物超電導層１２の結晶配向性を良好にして優れた超電導特性を発揮させることができる。
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り、具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、ＬａＭｎＯ３等からなる。キャップ層の膜厚は５０〜５０００ｎｍの範囲に形成できる。
【００１９】
酸化物超電導層１２は酸化物超電導体として公知のもので良く、具体的には、ＲＥ−１２３系と呼ばれるＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥは希土類元素であるＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちの１種又は２種以上を表す）を例示できる。この酸化物超電導層１２として、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ）などを例示できる。酸化物超電導層１２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。
【００２０】
第１安定化層１３（保護層）はＡｇ又はＡｇ合金などの良電導性かつ酸化物超電導層１２と接触抵抗が低くなじみの良い層として形成される。第１安定化層１３を成膜するには、スパッタ法などの成膜法を採用し、その厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
【００２１】
基材１０の一面上に中間層１１と酸化物超電導層１２と第１安定化層１３とがこの順に積層されてなる超電導積層体１５の外周面上には、第２安定化層１４が形成されている。この第２安定化層１４は、銅、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金等の銅合金、アルミニウム又はその合金、ステンレス等の比較的安価な導電性の金属材料からなることが好ましい。第２安定化層１４は、酸化物超電導層１２が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時、第１安定化層１３とともに、酸化物超電導層１２の電流を転流するバイパスとして機能する。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、第２安定化層１４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、第２安定化層１４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。第２安定化層１４の厚さは例えば１０〜３００μｍとすることができる。
【００２２】
第２安定化層１４は、第１安定化層１３上に半田を介して貼り付けられるとともに、基材１０、中間層１１、酸化物超電導層１２、第１安定化層１３を積層した超電導積層体１５のほぼ全周を覆い形成される。即ち、第２安定化層１４は、基材１０において中間層１１を形成していない側の裏面中央部を除いた超電導積層体１５の周面を横断面Ｃ字型をなすように覆っている。第２安定化層１４は、金属テープをロール等でフォーミングし超電導積層体１５の周囲に被着して金属層として構成することができる。第２安定化層１４により覆われていない基材１０の裏面側の中央部は半田層１６により覆われ、半田層１６は第２安定化層１４の端縁同士が形成する凹部を埋めるように形成されている。なお、基材１０と第２安定化層１４とが半田により封止されていれば、第２安定化層１４の端部同士が形成する凹部は、必ずしも埋め込まれる必要はない。
酸化物超電導線材１の外周が金属テープ等からなる金属層（第２安定化層１４）及び半田層１６で覆われていることで、酸化物超電導線材１の側面からの水分の浸入を防ぎ、酸化物超電導層１２の劣化を防ぐことができる。
また、金属テープをフォーミングし超電導積層体１５の周面を覆うように金属層を形成する他に、超電導積層体１５の外周全体にめっきを施すことにより被覆し、第２安定化層１４を形成しても良い。この場合、めっき層の厚さは、１０μｍ以上とすることで、ピンホールのないめっき層を形成することが可能となり、水分の浸入を確実に防ぐことができる。
なお、第２安定化層１４は、略すこともできる。
【００２３】
（接続構造体）
以下、本発明に係る接続構造体の第１実施形態である一対の酸化物超電導線材（第１酸化物超電導線材４、第２酸化物超電導線材５）を、接続用酸化物超電導線材６を介して接続した接続構造体３０について図２に基づいて説明する。
なお、本実施形態の接続構造体３０において、第１酸化物超電導線材４、及び第２酸化物超電導線材５は、図１を基に説明した酸化物超電導線材１と同一の層構造を備えており、各構成層に同一の符号を付す。また、接続用酸化物超電導線材６は、図１の酸化物超電導線材１と同様の層構造を備えており、基材１０の一面上に中間層１１と酸化物超電導層１２Ａと第１安定化層１３とがこの順に積層されてなる超電導積層体１５Ａの外周面上に、第２安定化層１４が形成されている。接続用酸化物超電導線材６の酸化物超電導層１２Ａは、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の酸化物超電導層１２と比較して厚く形成されており、これにより接続用酸化物超電導線材６の臨界電流値Ｉｃ６は、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５と比較して高くなっている。
【００２４】
第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５は、基材１０に対して酸化物超電導層１２を形成した側を揃えて、接続しようとする端部４ａ、５ａ同士に距離ｅの間隙を設けて隣接して配置されている。また、接続用酸化物超電導線材６は、前記隣接された端部４ａ、５ａを跨るように橋渡しして配置されている。この接続用酸化物超電導線材６の積層方向は、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の積層方向と反転されている。このように積層方向を反転して配置することで、接続用酸化物超電導線材６と第１酸化物超電導線材４、又は第２酸化物超電導線材５の接合部分において、酸化物超電導層１２、１２Ａが積層される側同士が対向するため、接続抵抗が低い接続構造体を構成することができる。また、接続しようとする第１酸化物超電導線材４と第２酸化物超電導線材５の層構造が同方向となり取扱いが容易となる。
【００２５】
さらに、第１酸化物超電導線材４と接続用酸化物超電導線材６の第２安定化層１４、１４同士、並びに第２酸化物超電導線材５と接続用酸化物超電導線材６の第２安定化層１４、１４同士は、導電性接合材２２、２２により接合されている。
導電性接合材２２としては、半田のような低融点金属を使用することができる。この場合の半田は、従来公知の物を使用可能であるが、特に融点が３００℃以下の半田を用いることが好ましい。これにより、３００℃以下の温度で接合を行うことが可能となり、半田付けの熱により酸化物超電導層１２の特性が劣化することを抑止できる。
【００２６】
第１酸化物超電導線材４、及び第２酸化物超電導線材５の接続しようとする端部４ａ、５ａ同士の距離ｅは、１ｍｍ以上であることが望ましい。それぞれの端部４ａ、５ａを１ｍｍ以上離間して配置することで、接続構造体３０に接続用酸化物超電導線材６が外側となるような曲げ（図２において、中心部が最上点となるような逆Ｕ字状の曲げ）を印加した場合、端部４ａ、５ａ同士が干渉し、干渉した部分の上方に位置する接続用酸化物超電導線材６に突き上げるような応力が集中することを抑制できる。
また、端部４ａ、５ａ同士の距離ｅが、１９０ｍｍ以上であると、接続用酸化物超電導線材６と第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５との間にそれぞれ介在する導電性接合材２２の距離が離れて、同時に加熱溶融する為には、大掛かりな装置が必要となり望ましくない。また、距離ｅを長くすると、接続している部分が大きくなり、接続構造体３０の取り回しが悪くなるばかりか、接続している部分が目立ち、外観上好ましくない。したがって、距離ｅは１ｍｍ以上１９０ｍｍ未満であることが好ましい。
【００２７】
接続用酸化物超電導線材６の長さＬ６は、第１酸化物超電導線材４、及び第２酸化物超電導線材５の端部４ａ、５ａ同士の距離ｅ等に従って適宜決定され、２０ｍｍ以上２００ｍｍ以下とすることが好ましい。
接続用酸化物超電導線材６の長さＬ６を長くすることで、導電性接合材２２によって接合される領域を広くとることができ、接続抵抗値を下げることができる。しかしながら、長くしすぎると接続構造体３０の屈曲性が悪くなる上に、接続している部分が目立ち、外観上好ましくない。
【００２８】
接続用酸化物超電導線材６の酸化物超電導層１２Ａが第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の酸化物超電導層１２より厚く形成されていることによって、接続用酸化物超電導線材６の臨界電流値Ｉｃ６は、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５と比較して高くなっている。これによって、接続構造体３０に流れる電流値が接続構造体３０の臨界電流値Ｉｃ３０に近づいた場合であっても、接続用酸化物超電導線材６に過大な電圧が加わることがなく、安定した性能を発揮することができる。
ここでは、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の長さＬ４、Ｌ５が共に５００ｍであり、端部４ａ、５ａ間の距離ｅが１ｃｍである場合を例として説明する。
第１酸化物超電導線材４と第２酸化物超電導線材５とを接続して形成される接続構造体３０の臨界電流値Ｉｃ３０は、接続構造体３０の両側の端部４ｂ、５ｂから電流を流し、全長に亘る電圧が、１μＶ／ｃｍとなった電流値として判定することができる。
【００２９】
接続用酸化物超電導線材６において電流が流れる部分は、実質的に第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の端部４ａ、５ａ間の距離ｅ（１ｃｍ）を跨ぐように橋渡しされた部分である。したがって、接続構造体３０の臨界電流値Ｉｃ３０に影響する接続用酸化物超電導線材６の長さ（１ｃｍ）は、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の長さ（それぞれ５００ｍ）に対して十分に短いため、接続構造体３０に徐々に大きな電流を流し、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５における電圧が大きくなっても、接続用酸化物超電導線材６の電圧はほとんど大きくならない。つまり、接続用酸化物超電導線材６の臨界電流値Ｉｃ６が、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５よりわずかでも大きければ、接続構造体３０の臨界電流値Ｉｃ３０に近づく電流が流れても、接続用酸化物超電導線材６に過大な電圧が発生することは無く、安定した接続構造体３０を構成することができる。
【００３０】
接続構造体３０において、接続用酸化物超電導線材６は、その両端側に導電性接合材２２による接合部が形成されている。導電性接合材２２は所定の抵抗値を有するため、接続構造体３０に電流を流すと導電性接合材２２は発熱する。接続用酸化物超電導線材６は、その両端側に発熱する導電性接合材２２が配置されているため、熱の影響を受けやすい。また、第１酸化物超電導線材４と第２酸化物超電導線材５の端部４ａ、５ａ同士は、距離ｅだけ離間して配置されており、この部分は冷却に用いる冷媒が流れにくくなっている。したがって、端部４ａ、５ａを跨るように配置される接続用酸化物超電導線材６の端部４ａ、５ａの上方に配置される部分は、冷却効率が悪くなってしまう。
一般的に超電導線材は温度が高くなるとその臨界電流値が低下する性質がある。したがって、導電性接合材２２の発熱によって接続用酸化物超電導線材６が加熱されるとその臨界電流値Ｉｃ６が低下してしまう虞がある。
【００３１】
接続用酸化物超電導線材６として、臨界電流値Ｉｃ６が予め高いものを用いることによって、導電性接合材２２によって、接続用酸化物超電導線材６が加熱されて、臨界電流値Ｉｃ６が低下したとしても、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５より高くしておくことができる。
具体的には、接続用酸化物超電導線材６の臨界電流値Ｉｃ６を、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５に対して、５％以上高くしておくことが好ましく、１０％以上高くしておくことがより好ましい。
【００３２】
第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５が、７７Ｋの液体窒素下においてそれぞれ２５０Ａである場合について説明する。このとき接続用酸化物超電導線材６としては、臨界電流値Ｉｃ６が前記臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５に対して５％高い２６２．５Ａ（７７Ｋ）のものを用いることができる。この接続構造体３０に電流を流すことで導電性接合材２２が発熱し、接続用酸化物超電導線材６が加熱され、接続用酸化物超電導線材６が、７７．７Ｋとなったとしても、その臨界電流値Ｉｃ６は、２５１Ａとなる（後段の実施例におけるシミュレーション２において詳しく説明する）。このように、接続用酸化物超電導線材６として臨界電流値Ｉｃ６が、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５に対して５％以上高いものを用いることで、接続用酸化物超電導線材６に０．７Ｋ以下の温度上昇が起こった場合であっても、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５（２５０Ａ）より高い状態を維持することができる。
同様に、接続用酸化物超電導線材６として臨界電流値Ｉｃ６が、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５に対して１０％以上高いものを用いることで、接続用酸化物超電導線材６に１．３Ｋ以下の温度上昇が起こった場合であっても、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５（２５０Ａ）より高い状態を維持することができる。
【００３３】
なお、本実施形態においては、接続用酸化物超電導線材６の臨界電流値Ｉｃ６を第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の臨界電流値Ｉｃ４、Ｉｃ５に対して高くする目的で、接続用酸化物超電導線材６の酸化物超電導層１２Ａを、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５の酸化物超電導層１２に対して厚く形成している。しかしながら、臨界電流値Ｉｃ６を高くするための手段はこれに限るものではなく、例えば、幅広の接続用酸化物超電導線材６を用いる手段、異なる酸化物超電導導体を用いる手段等を採用できる。
【００３４】
（超電導ケーブル）
酸化物超電導線材１（即ち、第１酸化物超電導線材４及び第２酸化物超電導線材５）同士を接続して作製された接続構造体３０は、図３に部分断面略図の一例を示す超電導ケーブル８０として使用することができる。超電導ケーブル８０の中心にあるケーブルコア８５は、金属製（例えば銅製）フォーマ８１の周りに、複数列のテープ状の酸化物超電導線材１を、絶縁層８２を挟んで２層にわたって螺旋状に巻きつけ、更に導電性のケーブル用安定化層８３によって覆われて形成されている。このケーブルコア８５は可撓性を有する金属製の二重断熱管８４の中に収納されている。二重断熱管８４は、内管８４ａと外管８４ｃを有し、内管８４ａと外管８４ｃの間には、真空断熱層８４ｂが形成されており、外部からの熱の影響を排除する構造となっている。
このような超電導ケーブル８０に、上述した方法で接続した酸化物超電導線材１を用いる事によって、製造ラインの大きさに係らず、様々な長さの超電導ケーブル８０を作製することができる。
また、複数本の超電導ケーブル８０を接続する際に、その接続部において前記接続構造体３０を採用し、酸化物超電導線材１を接続することができる。
【００３５】
（超電導限流器）
また、酸化物超電導線材１同士を接続して作製された接続構造体３０を用いて図４に一例を示す超電導限流器９９を作製することができる。
超電導限流器９９において、酸化物超電導線材１は、巻胴に複数層に渡って巻回され超電導限流器用モジュール９０を構成し、当該超電導限流器用モジュール９０として液体窒素９８が充填された液体窒素容器９５に格納されている。さらに液体窒素容器９５は、外部との熱を遮断する真空容器９６の内部に格納されている。
液体窒素容器９５は、上部に、液体窒素充填部９１と冷凍機９３を有し、冷凍機９３の下方には、熱アンカー９２と熱板９７が設けられている。
また、超電導限流器９９は、超電導限流器用モジュール９０に外部電源（図示略）を接続するための電流リード部９４を有する。
以上のような、超電導限流器９９の超電導限流器用モジュール９０として使用する場合において、酸化物超電導線材１は、図１を基に説明したように第２安定化層１４にＮｉ−Ｃｒ等の高抵抗金属を用いたものを使用する。
【００３６】
（超電導モータ）
図５（ａ）、（ｂ）に、酸化物超電導線材１同士を接続して作製された接続構造体３０を用いて構成された超電導モータ１３０の一例を示す。超電導モータ１３０は、円筒状の密閉型の容器１３１の内部に、回転自在に軸支された軸型の回転子１３２を備え構成されている。
【００３７】
回転軸１３３の中央部周囲側に、軸周りに複数の超電導モータ用コイル１３５が取り付けられ、これら複数の超電導モータ用コイル１３５の周囲側に容器１３１の内壁側に支持された銅コイルからなる複数の常電導コイル１３６が配置されている。
超電導モータ用コイル１３５は、前記接続構造体３０によって接続された酸化物超電導線材１を適当なスミＲを有するレーストラック状のボビンに巻回して形成されている。
回転軸１３３の内部には冷却ガスを流入させるか流出させるための複数の配管が設けられ、外部に別途設けられている図示略の冷媒供給装置から容器１３１の内部に冷却ガスを導入し、冷却ガスにより超電導モータ用コイル１３５を臨界温度以下に冷却できるように構成されている。なお、超電導モータ用コイル１３５は臨界温度以下に冷却されるが、常電導コイル１３６は常温部として構成される。
【００３８】
図５（ａ）、（ｂ）に示す超電導モータ１３０は、容器１３１の内部に冷却ガスを導入し、この冷却ガスにより超電導モータ用コイル１３５を臨界温度以下に冷却して使用する。常電導コイル１３６には別途図示略の電源から必要な電流を供給し、超電導モータ用コイル１３５にも別途図示略の電源から必要な電流を供給することで、両者のコイルが生成する磁場に起因した回転力により回転軸１３３を回転させて超電導モータ１３０として使用することができる。
【００３９】
（超電導コイル）
酸化物超電導線材１同士を接続して作製された接続構造体３０を巻回して、図６（ｂ）に示すパンケーキ状の超電導コイル１０１を構成することができる。また超電導コイル１０１を複数個積層し、それぞれの超電導コイル１０１同士を前記接続構造体３０によって接続することにより、図６（ａ）に示す強力な磁力を発する超電導コイル積層体１００を形成することができる。
【００４０】
以上に説明したように、上述した接続構造体３０によって接続された酸化物超電導線材１は、様々な超電導機器に使用可能である。
ここで、超電導機器は、前記酸化物超電導線材１を有するものであれば特に限定されず、例えば、超電導ケーブル、超電導モータ、超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置などを例示できる。
【００４１】
（変形例１）
以下に図７を基に変形例１として、第１実施形態の接続構造体３０によって接続可能な酸化物超電導線材３２について説明する。
上述の第１実施形態においては、基材１０の上方に中間層１１を介しＲＥ−１２３系の酸化物超電導体からなる酸化物超電導層１２を設けた構造の第１酸化物超電導線材４と第２酸化物超電導線材５を、同様の積層構造を有する接続用酸化物超電導線材６を介して接続した接続構造体３０について説明した。しかしながら、本発明は、図７に示すＢｉ系の酸化物超電導体（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋δ：Ｂｉ２２１２、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ：Ｂｉ２２２３）を有する酸化物超電導線材３２を接続する場合にも適用することができる。この酸化物超電導線材３２は、図７に例示するようにＡｇなどのシース３３の内部にＢｉ系の酸化物超電導体からなる多芯線３１が内包されテープ状の線材が形成される。この酸化物超電導線材３２を用いて接続構造体を形成する場合においては、一対の酸化物超電導線材３２と、これよりも臨界電流値が高く同様の構造を有する接続用酸化物超電導線材を用意する。さらに、一対の酸化物超電導線材３２、３２の端部同士を隣接して配置し、隣接して配置された端部同士を跨るように、接続用酸化物超電導線材を橋渡しして接合することによって、接続構造体を形成する。
この様に構成された変形例の接続構造体は、第１実施形態の接続構造体３０と同様の種々の効果を奏することができる。
【実施例】
【００４２】
（シミュレーション１）
実施例１及び比較例１、２として、一対の酸化物超電導線材（第１酸化物超電導線材及び第２酸化物超電導線材、長さ５００ｍ×２本）を端部同士に距離１ｃｍの隙間をあけて配置し接続用酸化物超電導線材（長さ５ｃｍ）を介して接続した接続構造体（図２参照）について電流と電圧の関係についてのシミュレーションを行った。
実施例１及び比較例１、２の一対の酸化物超電導線材の臨界電流値は２５０Ａとした。また、実施例１の接続用酸化物超電導線材の臨界電流値を２５１Ａとした。また、比較例１の接続用酸化物超電導線材の臨界電流値を２００Ａとし、比較例２の接続用酸化物超電導線材の臨界電流値を２４５Ａとした。また、本シミュレーションにおいて、一対の酸化物超電導線材及び接続用酸化物超電導線材に流れる電流Ｉが臨界電流値Ｉｃに近づくと、Ｖ∝Ｉｎで表される電圧Ｖが発生すると近似して計算を行った。また、この時のｎ値を３０とした。
なお、本実施例１及び比較例１、２において、一対の酸化物超電導線材及び接続用酸化物超電導線材として、外周に第２安定化層を形成せず、第１安定化層として２μｍ厚のＡｇを形成したもの（図１の超電導積層体１５に相当）を想定している。
【００４３】
図８（ａ）に、実施例１の接続構造体に、徐々に大きな電流を流した場合の一対の酸化物超電導線材の電流値と電圧の関係及び、接続用酸化物超電導線材の電流値と電圧の関係を示す。また、図８（ｂ）、（ｃ）に縦軸に電界（Ｖ／ｃｍ）をとったグラフを示す。なお、図８（ｃ）は図８（ｂ）の２００〜２５０Ａの電流値の範囲を拡大したグラフである。
図８（ａ）〜（ｃ）及び、後段において説明する図９、１０において、実線は一対の酸化超電導線材全長（約５００ｍ×２）に発生する電圧、破線は接続用酸化物超電導線材の橋渡しの隙間部分（１ｃｍ）に発生する電圧を示す。
図８（ａ）に示すように、接続構造体に徐々に大きな電流を流し、一対の酸化物超電導線材における電圧が大きくなっても、接続用酸化物超電導線材の長さは非常に短いため、その電圧はほとんど大きくならない。
これに対して、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、電界で見ると接続用酸化物超電導線材の電圧は電流とともに大きくなるが、接続用酸化物超電導線材の臨界電流値（２５１Ａ）が一対の酸化物超電導線材の臨界電流値（２５０Ａ）より高いため、一対の酸化物超電導線材の電圧よりは低くなり、接続用酸化物超電導線材が先に焼損することはない。すなわち、超電導線材全体の電圧を監視していれば、焼損を防ぐことができる。
【００４４】
図９に比較例１の接続構造体に、徐々に大きな電流を流した場合の一対の酸化物超電導線材の電流値と電圧の関係及び、接続用酸化物超電導線材の電流値と電圧の関係を示す。
接続用酸化物超電導線材の臨界電流値（２００Ａ）は、一対の酸化物超電導線材の臨界電流値（２５０Ａ）よりも低いため、電流を大きくしていくと、先に接続用酸化物超電導線材に急激に電圧が発生し、接続用酸化物超電導線材が焼損する虞がある。
また、比較例１の接続構造体の臨界電流値は臨界電流の定義と照らし合わせると２３５Ａとなり、一対の酸化物超電導線材の臨界電流値（２５０Ａ）と比較して大幅に低くなる。
このように、接続用酸化物超電導線材に電圧がかかる部分は全長（約１０００ｍ）に対してごく一部（１ｃｍ）であるにもかかわらず、接続構造全体の定義上の臨界電流値は大幅に低くなってしまい、局所的に大きな電圧が発生するという危険が生ずる。
【００４５】
図１０（ａ）に比較例２の接続構造体に、徐々に大きな電流を流した場合の一対の酸化物超電導線材の電流値と電圧の関係及び、接続用酸化物超電導線材の電流値と電圧の関係を示す。また、図１０（ｂ）は縦軸に電界（Ｖ／ｃｍ）をとったグラフを示す。
図１０（ａ）に示すように、比較例２の場合も実施例１と同様に、接続構造体に徐々に大きな電流を流し、一対の酸化物超電導線材における電圧が大きくなっても、接続用酸化物超電導線材の長さは非常に短いため、その電圧はほとんど大きくならない。しかしながら、図１０（ｂ）に示すように、電界で見ると、接続用酸化物超電導線材の臨界電流値（２４５Ａ）が一対の酸化物超電導線材の臨界電流値（２５０Ａ）より低いため、接続用酸化物超電導線材に一対の酸化物超電導線材よりも先に急激に電圧が発生してしまう。したがって、超電導線材全体としてはほとんど電圧が発生していなくても、接続用酸化物超電導線材には電圧が発生するため、接続用酸化物超電導線材が焼損する虞がある。
【００４６】
比較例１、２に示したように、接続用酸化物超電導線材の臨界電流値が、一対の酸化物超電導線材の臨界電流値に対して低い場合においては、超電導線材全体としてはほとんど電圧が発生していなくても、接続用酸化物超電導線材には電圧が発生するため、接続用酸化物超電導線材が焼損する虞がある。また、接続構造体全体の臨界電流値が大幅に低くなってしまうことがある。
これに対して、実施例１のように、接続用酸化物超電導線材の臨界電流値を、一対の酸化物超電導線材の臨界電流値に対して高くすることで、接続用酸化物超電導線材が焼損する虞がなく、信頼性の高い接続構造体を構成することができる。
【００４７】
（シミュレーション２）
シミュレーション２として、上記の実施例１の接続構造体の接続用酸化物超電導線材がその両側に形成される導電性接合材（半田）からの発熱による影響に関しての計算結果を示す。
実施例１の接続構造体において、一対の酸化物超電導線材に面積１ｃｍ２、厚さ３μｍのＳｎ（液体窒素温度７７Ｋにおける電気抵抗率２．１μΩ・ｃｍ）からなる半田層を形成して、接続用酸化物超電導線材を接合する場合を想定する。このような接続構造体は、このとき、実験値として接続部には、５０ｎΩの電気抵抗を有する。
臨界電流値である２５０Ａの電流が流れた場合、接合部には３ｍＷの熱量が発生する。この熱が十分に冷却されない場合においては、接続用酸化物超電導線材の温度が上昇する可能性がある。
接続用酸化物超電導線材の比熱は、基材の比熱に近似して計算することが可能であり、基材としてハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）を使用する場合は、その比熱は０．１６Ｊ／ｇ・Ｋとなる。基材の形状を幅５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍと想定すると熱容量は７．２ｍＪ／Ｋとなる。
これらの数値を用いて、発熱量と熱容量の関係を表した以下の式から（一番厳しい条件となる断熱条件において）、接続用超電導線材の温度上昇を計算できる（ｔは時間、Ｑは発熱量、ΔＴは温度上昇、Ｃは熱容量）。
【００４８】
【数１】
2015035308.tif 000003
【００４９】
これらから、臨界電流値である２５０Ａの電流が１ｓ流れた場合の接続用酸化物超電導線材の温度上昇は０．４Ｋ程度となることが算出される。
酸化物超電導線材の臨界電流値は、温度依存性を有することが知られており、上述したように接続用酸化物超電導線材が温度上昇をすると臨界電流値は下がる。温度Ｔに対する臨界電流値Ｉｃは、超電導体固有の値である０Ｋでの臨界電流値Ｉｃ０と超電導転移温度Ｔｃから、以下の式によって計算することができる。
【００５０】
【数２】
2015035308.tif 000004
【００５１】
これによれば、接続用酸化物超電導線材のＩｃを２５０Ａの５％増しにしておけば、０．７Ｋ温度が上昇してもＩｃが２５０Ａを下回ることはない。通常の通電でＩｃ電流値を１秒以上流すことはないため、接続用酸化物超電導線材として、一対の酸化物超電導線材の臨界電流値より５％以上高い臨界電流値を有するものを用いる事で、接続構造体全体としての熱的安定性を飛躍的に向上させることができる。
また、接続用酸化物超電導線材として、一対の酸化物超電導線材の臨界電流値より１０％以上高い臨界電流値を有するものを用いる事で、さらに熱的安定性を向上させた接続構造体を供給することが可能となる。上述と同様のシミュレーションから、この場合には、２５０Ａ通電３秒でも十分な裕度をもつことができる。
なお、Ｂｉ系の酸化物超電導体を有する酸化物超電導線材においても同様に、接続用酸化物超電導線材の臨界電流値が５％以上のより好ましくは１０％以上高いものを用いる事で、熱的安定性を向上できる。
【００５２】
なお、酸化物超電導線材の臨界電流値は、酸化物超電導層の厚さによって、調整することができる。例えば、臨界電流値２５０Ａである一対の酸化物超電導線材の酸化物超電導層の膜厚が１．０μｍである場合においては、同様の構成で膜厚のみを１．０５μｍとすることで、臨界電流値が２６２．５Ａの接続用酸化物超電導線材を得ることができる。
【００５３】
以上に、本発明の実施形態を説明したが、実施形態における構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１、３２…酸化物超電導線材、４…第１酸化物超電導線材（酸化物超電導線材）、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ…端部、５…第２酸化物超電導線材（酸化物超電導線材）、６…接続用酸化物超電導線材、１０、１１１、１２１…基材、１１、１１２、１２２…中間層、１２、１２Ａ、３１…多芯線、１３…第１安定化層（保護層）、１４…第２安定化層、１５、１５Ａ…超電導積層体、２２…導電性接合材、３０、１２５…接続構造体、８０…超電導ケーブル、９９…超電導限流器、１００…超電導コイル積層体、１０１…超電導コイル、１１０…第１超電導線材、１１３、１２３…超電導層、１１４、１２４…保護層、１１５…安定化層、１２０…第２超電導線材、１３０…超電導モータ、１３５…超電導モータ用コイル、ｅ、ｐ…距離
【図１】
2015035308.tif 000005
【図２】
2015035308.tif 000006
【図３】
2015035308.tif 000007
【図４】
2015035308.tif 000008
【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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