(57)【要約】  本発明は、超電導線材の積層構造に関する。本発明は、金属基板、緩衝層、超電導層及び安定化層が積層された超電導線材であって、前記超電導層及び緩衝層を貫通して前記安定化層と前記金属基板を連結する複数のウェッジを含むことを特徴とする超電導線材を提供する。本発明によれば、超電導線材の機械的剛性を向上させて劣化や剥離に対する抵抗性の大きい超電導線材を提供することができる。また、本発明は、クエンチ現象から自己保護可能な超電導線材を提供することができる。なお、高磁場の応用に好適な超電導線材を提供することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板、緩衝層、超電導層及び安定化層が積層された超電導線材であって、
前記超電導層及び緩衝層を貫通して前記安定化層と前記金属基板を連結する複数のウェッジを含むことを特徴とする超電導線材。
【請求項２】
前記複数のウェッジは、前記超電導線材の長さ方向に列をなして配列されることを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項３】
前記複数のウェッジは、前記超電導線材の長さ方向に少なくとも２列以上が配列されることを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項４】
前記複数のウェッジは、前記安定化層と前記金属基板を機械的に連結することを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項５】
前記複数のウェッジは、前記超電導層を前記金属基板または安定化層と電気的に連結することを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項６】
前記複数のウェッジは、前記超電導層を前記金属基板または前記安定化層と熱的に連結することを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項７】
前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は導電性金属を含むことを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項８】
前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は磁性体を含むことを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項９】
前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は前記金属基板を貫通することを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項１０】
前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は前記安定化層を貫通することを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項１１】
前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は前記安定化層の一部として実現されることを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項１２】
前記金属基板または前記安定化層のいずれか一つにはラミネーション基板が積層されることを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材。
【請求項１３】
超電導層と前記超電導層を囲む導電性金属層とを含む超電導線材であって、
前記超電導層を貫通して前記超電導層上下の前記導電性金属層を連結する複数のウェッジを含む超電導線材。
【請求項１４】
前記超電導層と前記導電性金属層との間に緩衝層をさらに含み、
前記複数のウェッジは前記超電導層及び緩衝層を貫通して前記導電性金属層を連結することを特徴とする、請求項１３に記載の超電導線材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材に関し、より詳しくは、高温超電導線材の積層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体窒素温度で動作する高温超電導線材は、高磁場で高い臨界電流密度特性を示しており、超電導マグネット等の高磁場の応用として注目されている。
【０００３】
超電導線材は基板、緩衝層、超電導層及び安定化層の積層構造を有するが、その中の緩衝層及び超電導層がセラミックス材質からなって機械的応力にぜい弱であるため、コイル巻線や急冷等の作業環境で超電導層の損傷、線材積層構造の剥離等の劣化が発生し易いという短所を有する。
【０００４】
一方、高温超電導線材は低温超電導線材に比べて高い熱容量及び高い臨界温度を備えてクエンチ（ｑｕｅｎｃｈ）の発生可能性が低いと知られているが、実際はクエンチ伝播速度が低ために外部でクエンチ現象の検出が困難な問題点がある。それにより、従来の高温超電導線材は、局部的なクエンチ現象によって線材がバーン・アウトに達する致命的な欠陥を有している。
【０００５】
このような問題点により、線材の劣化やクエンチ現象の検出及びそれより線材を保護するための様々な技術が開発されてきたものの、現在まで根本的な解決策はないのが実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来技術の問題点を解決するために、本発明は、超電導線材の機械的剛性を向上させる超電導線材を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、巻線等の作業時、劣化に対する抵抗性の大きい超電導線材を提供することを目的とする。
【０００８】
なお、本発明は、クエンチ現象から自己保護可能な超電導線材を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに、本発明は、高磁場の応用に好適な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】
【００１０】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、金属基板、緩衝層、超電導層及び安定化層が積層された超電導線材であって、前記超電導層及び緩衝層を貫通して前記安定化層と前記金属基板を連結する複数のウェッジを含むことを特徴とする超電導線材を提供する。
【００１１】
一実施形態において、前記複数のウェッジは、前記超電導線材の長さ方向に列をなして配列されてもよい。この時、前記複数のウェッジは、前記超電導線材の長さ方向に少なくとも２列以上が配列されてもよい。
【００１２】
また、前記複数のウェッジは、前記安定化層と前記金属基板を機械的に連結する。また、前記複数のウェッジは、前記超電導層と前記金属基板または前記超電導層と前記安定化層を電気的に連結してもよい。また、前記複数のウェッジは、前記超電導層と前記緩衝層、前記超電導層と前記金属基板を熱的に連結してもよい。
【００１３】
一実施形態において、前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は導電性金属を含んでもよい。また、前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は磁性体を含んでもよい。
【００１４】
一実施形態において、前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は前記金属基板を貫通してもよい。また、前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は前記安定化層を貫通してもよい。
【００１５】
また、本発明の他の実施形態によれば、前記複数のウェッジのうち少なくとも一部は前記安定化層の一部として実現されてもよい。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、超電導線材の前記金属基板または前記安定化層のいずれか一つにはラミネーション基板が積層されてもよい。
【００１７】
また、前記技術的課題を達成するために、本発明は、超電導層と前記超電導層を囲む導電性金属層とを含む超電導線材であって、前記超電導層を貫通して前記超電導層上下の前記導電性金属層を連結する複数のウェッジを含む超電導線材を提供する。
【００１８】
この時、前記超電導層と前記導電性金属層との間に緩衝層をさらに含み、前記複数のウェッジは前記超電導層及び緩衝層を貫通して前記導電性金属層を連結してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、超電導線材の機械的剛性を向上させて劣化や剥離に対する抵抗性の大きい超電導線材を提供することができる。また、本発明は、クエンチ現象から自己保護可能な超電導線材を提供することができる。また、本発明によれば、高磁場の応用に好適な超電導線材を提供することができる。
【００２０】
また、本発明に係る超電導線材は、超電導層をマルチフィラメントで構成した効果を示しており、Ａｃ  Ｌｏｓｓ減少効果だけでなく、超電導コイルの製作時にスクリーン電流（ｓｃｒｅｅｎ  ｃｕｒｒｅｎｔ）による磁界減少を減らす効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】典型的な超電導線材の積層構造を例示的に示す図である。
【図２】本発明の第１及び第２実施形態による超電導線材の断面を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態による超電導線材の断面構造を模式的に示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による超電導線材を平面的に示す図である。
【図５】本発明の様々な実施形態による超電導線材の平面を例示的に示す図である。
【図６】本発明の第４実施形態による超電導線材の断面を模式的に示す図である。
【図７】本発明の一実施形態によるウェッジの形状を例示的に示す図である。
【図８】本発明の第５実施形態による超電導線材の断面を模式的に示す図である。
【図９】本発明の第６実施形態による超電導線材の断面を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の実施形態による作動原理を模式的に説明するための図である。
【図１１】本発明の実施形態による作動原理を模式的に説明するための図である。
【図１２】本発明の変形例として超電導線材の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を詳述する。
図１は、典型的な２世代超電導線材の積層構造を例示的に示す図である。
【００２３】
図１を参照すれば、超電導線材は、金属基板１１、一連の緩衝層１２、超電導層１３、キャッピング層１４Ａ及び安定化層１４Ｂを含んで構成される。
【００２４】
ここで、キャッピング層１４Ａ及び安定化層１４Ｂはいずれも導電性金属層で形成され、例えば、前記キャッピング層１４Ａは銀、金等の貴金属、前記安定化層１４Ｂは銅またはその合金等から構成されることができる。勿論、これとは異なり、キャッピング層１４Ａ及び安定化層１４Ｂは一つの導電性金属層として実現されることもできる。以下、本発明の明細書では、上記の導電性金属層１４Ａ、１４Ｂを一つの安定化層として図示する。
【００２５】
本発明において、前記超電導層の材質としては、シート形態の薄い薄膜に実現できる限り、特に限定されない。例えば、ＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系、Ｂｉ−２２１２（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８）及びＢｉ−２２２３（Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０）等のＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＴＣＢＣＯ（Ｔｌ−Ｃａ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＨＢＣＣＯ（Ｈｇ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系等の高温超電導材料だけでなく、鉄系の超電導体が前記超電導層として用いられることができる。
【００２６】
図１の線材において、ニッケルまたはニッケル合金のような材質から構成される金属基板は、超電導線材厚さの大部分を占める。例えば、金属基板は約７０〜１００ミクロン（μｍ）、安定化層は数十ミクロンであるのに対し、緩衝層及び超電導層は各々数ミクロンに過ぎない。したがって、図１及び以下の図面の各層の厚さは、実際の蓄積比率ではなく、視認のために誇張して図示されている。また、積層構造の２世代超電導線材を中心に説明するが、他の形態の超電導線材にも本発明の技術的思想が適用可能であることは勿論である。
【００２７】
図２は、本発明の一実施形態による超電導線材の断面を模式的に示す図である。
【００２８】
図２は、長さ方向に延びる超電導線材の横断面を示す。図２（ａ）を参照すれば、超電導線材は、金属基板１１０、緩衝層１２０、超電導層１３０及び安定化層１４０が順次積層された構造を有する。
【００２９】
図示されたように、本発明の一実施形態による前記超電導線材１００には、各層の積層面に垂直方向に超電導層１３０を貫通する複数のウェッジ（ｗｅｄｇｅｓ）１５０が形成されている。前記複数のウェッジ１５０は超電導線材の各層を全て貫通するものとして示されているが、これは、本発明の一実現例に過ぎず、様々な変形が可能である。
【００３０】
前記ウェッジ１５０は、前記超電導層１３０を貫通して前記安定化層１４０及び前記金属基板１１０を連結する。前記ウェッジ１５０は、前記安定化層１４０と前記金属基板１１０を機械的、電気的及び／又は熱的に堅固に結合する。さらに、前記ウェッジ１５０は、積層構造を構成する各層を前記安定化層１４０及び金属基板１１０と機械的、電気的及び／又は熱的に堅固に結合することができる。
【００３１】
より具体的には、前記ウェッジ１５０は、前記安定化層１４０及び前記金属基板１１０と良好な接合性を有しなければならない。例えば、前記安定化層１４０及び前記金属基板１１０の溶接に好適な材料が本実施形態のウェッジの構成物質となることができる。また、付加的に、前記ウェッジは機械的剛性を有することが好ましい。例えば、銀や銅のような単一組成の金属や金属合金から構成されることが好ましい。鉛合金のような剛性を有する材料も本発明のウェッジに好適であることは勿論である。
【００３２】
また、本発明において、前記超電導線材の極低温の動作環境を考慮すれば、熱膨張率はウェッジの候補物質の選定時に主な考慮の要因となる。通常の金属または金属合金は、超電導層に比べて高い熱膨張率を有し、本発明においてウェッジの候補となることができる。例えば、金属または金属合金からなるウェッジは、適切に選択される場合、冷却時に前記金属基板１１０及び安定化層１４０の間に残留圧縮応力を形成するようにすることができる。
【００３３】
本発明において、前記ウェッジの形成には様々な方法が用いられることができる。例えば、超電導線材の積層構造を完成した後、通常の溝加工及び通常の蒸着法によりウェッジを形成することができる。これとは異なり、線材の積層構造の一部を形成した後、溝加工及び蒸着法が適用されることもできる。溝加工としてはレーザ穿孔等の加工法が適用されることができる。蒸着法としては、電気メッキ、無電解メッキ、物理気相蒸着、化学気相蒸着等の様々な蒸着法が適用されることができる。
【００３４】
図２（ｂ）は、本発明の第２実施形態による超電導線材の断面構造を模式的に示す図である。
【００３５】
図２（ｂ）において、安定化層１４０は、超電導層の上部から金属基板の下部にまで延びて超電導線材全体を囲んでいる。この場合、ウェッジ１５０は、下部の安定化層にまで貫通するように設計されることができる。
【００３６】
図３は、本発明の第３実施形態による超電導線材の断面構造を模式的に示す図である。
【００３７】
先ず、図３（ａ）を参照すれば、超電導層１３０の周囲を安定化層１４０が被覆している。この時、ウェッジ１５０は、前記超電導層１３０を貫通して前記安定化層１４０を連結する。本実施形態の超電導線材１００は、金属基板及び緩衝層が超電導層から除去された場合に適用可能である。
【００３８】
一方、図３（ｂ）は、第３実施形態の変形例として金属基板が存在しない超電導線材を示す。ここでも、複数のウェッジ１５０は、緩衝層１２０及び超電導層１３０を貫通して上下の安定化層１４０を連結している。
【００３９】
図４は、本発明の一実施形態による超電導線材を平面的に示す図である。
【００４０】
図示された超電導線材１００は、長さ方向に延びる長いストリップ形態を有する。前記超電導線材１００の長さ方向に沿って複数のウェッジ１５０が配列されている。
【００４１】
前記複数のウェッジは、適切な間隔を有し、列をなして長さ方向に配列される。前記複数のウェッジは２列以上配列されることもできる。本実施形態において、複数のウェッジが形成する一つの列は、所定の公差を有する幅ｗ１、ｗ２を有することができる。勿論、これとは異なり、前記複数のウェッジは無作為に配列されることもできる。
【００４２】
また、前記複数のウェッジは、相互間の所定の公差を有する間隔ｄ１、ｄ２を持つように配列されることができる。
【００４３】
図５は、本発明の様々な実施形態による超電導線材の平面を例示的に示す図である。
【００４４】
図示されたように、平面的に見れば、ウェッジパターンは様々な断面形状及び断面積を有することができる。ウェッジの断面パターンは、円形パターン１５０ａ、細長い四角形パターン１５０ｂ、１５０ｃ及びこれらの組み合わせパターン１５０ｅ、１５０ｆであってもよい。
【００４５】
また、各ウェッジパターンは、互いに異なる断面形状だけでなく、互いに異なる材質の組み合わせで構成されることができる。図面において、互いに異なるハッチングパターンは互いに異なる材質であることを示す。例えば、円形パターンのウェッジはハンダ材料から構成され、四角形パターンのウェッジは磁性材料から構成されることもできる。なお、互いに異なるパターンは、互いに異なる電磁気的特性及び機械的特性を有することができる。以上で例示したものの他に様々な形状及び材質の組み合わせが可能であるのは、本発明が属する技術分野の通常の技術者であれば明らかなことである。
【００４６】
また、線材の長さ方向に配列された複数のウェッジは、超電導層をマルチフィラメントで構成した効果を示しており、Ａｃ  Ｌｏｓｓ減少効果だけでなく、超電導コイルの製作時にスクリーン電流（ｓｃｒｅｅｎ  ｃｕｒｒｅｎｔ）による磁界減少を減らす効果を得ることができる。
【００４７】
図６は、本発明の第４実施形態による超電導線材の断面を模式的に示す図である。
【００４８】
図６を参照すれば、第１実施形態と同様に、複数のウェッジが超電導層２３０を貫通する。本実施形態において、複数のウェッジ２５０は金属基板の一部にまで延びている。本実施形態において、ウェッジが金属基板に延びる深さｈは、線材の機械的強度等を考慮して適切に選択されることができる。本実施形態の複数のウェッジ２５０は、厚い金属基板を貫通する必要がないということに起因する工程上の利点を有する。
【００４９】
図７は、本発明の一実施形態によるウェッジの形状を例示的に示す図である。図面に示すように、ウェッジはＶ形、四角形、ボルト形等の様々な形状を有することができる。
【００５０】
図８は、本発明の第５実施形態による超電導線材の断面を模式的に示す図である。
【００５１】
図８を参照すれば、本実施形態において、ウェッジ３５０は、安定化層のような線材外郭の金属層３４０から下部に延び、超電導層３３０及び緩衝層３２０を順次貫通している。
【００５２】
この時、前記ウェッジ３５０は、前記外郭金属層３４０と同一材質で一体に実現されるか、または互いに異なる材質で実現されることができる。本実施形態は、安定化層の形成前に溝加工が可能であるという長所を有する。また、本実施形態は、安定化層の形成と同時にウェッジを形成できるという点で長所を有する。
【００５３】
図９は、本発明の第６実施形態による超電導線材の断面を模式的に示す図である。
【００５４】
図９を参照すれば、図１で説明した複数のウェッジを備えた超電導線材１００の上下面にラミネーション基板４１０、４２０が付着されている。前記ラミネーション基板４１０、４２０は、超電導線材１００の外郭金属層、例えば、金属基板及び安定化層に堅固に固定される。付加的に、前記ラミネーション基板４１０、４２０は、ハンダ４３０によって堅固に結合されることができる。このような構造は、超電導線材の機械的剛性をさらに補完することができる。
【００５５】
図１０及び図１１は、本発明の実施形態による作動原理を模式的に説明するための図である。
【００５６】
図１０に示すように、コイル巻線等の作業時、曲げにより超電導線材に応力が発生する。超電導線材を構成する各層１１０、１２０、１３０、１４０は互いに異なる結合強度を有する。例えば、緩衝層１２０と超電導層１３０は低い結合強度を有し、曲げ時の機械的応力によって剥離が発生しうる。本発明において、複数のウェッジ１５０は、安定化層１４０と金属基板１１０を堅固に結合することにより、超電導線材の各層が剥離されないように支えるようにする。さらに、下記で説明するように、本発明のウェッジは、剥離が発生する場合にもかかわらず、従来に比べて良好な電気伝導及び熱伝導のためのバイパス経路を提供することができる。
【００５７】
図１１を参照して本発明のウェッジが電気伝導及び熱伝導経路として作用する過程を説明する。
【００５８】
図１１を参照すれば、超電導層のある地点（Ａ）で常電導転移状態（クエンチ）が発生すれば、該地点の抵抗は局部的に増加する。この時、ウェッジ１５０は、超電導線材の積層面に対して垂直方向に電気伝導経路を提供することができる。前記電気経路は、超電導線材の積層面に対して垂直上方（１）及び垂直下方（２）に各々形成されることができる。電流は、垂直上方に安定化層１４０を経由してバイパスされるか、または隣接する超電導線材にバイパスされることができる。それと同様に、電流は、垂直下方に沿って金属基板１１０を経由してバイパスされるか、または隣接する超電導線材にバイパスされることができる。このような適用において、ウェッジの材質は良好な電気伝導性を有することが好ましい。
【００５９】
一方、常電導状態への転移（クエンチ）に応じた抵抗増加によって発生する熱も図示された経路（１）及び（２）に沿って放出されることができる。金属材質は、通常、良好な電気伝導性及び熱伝導性を有するため、本発明のウェッジの材質として使用可能である。
【００６０】
一方、前述した本発明の超電導線材構造は、従来に比べてさらに良好な磁路（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｐａｔｈ）を提供するように変形されることができる。
【００６１】
図１２は、本発明の他の実施形態による超電導線材の断面を示す図である。
【００６２】
図１２を参照すれば、磁性体からなる複数のウェッジ５５０が超電導層５３０及び緩衝層５２０を貫通して金属基板５１０に接続されている。
【００６３】
例えば、前記ウェッジ５５０は、ＦｅまたはＦｅ合金等の強磁性体で構成されることができる。この場合、超電導状態で超電導線材に作用する磁束はウェッジ５５０を通過することができるようになる。したがって、本実施形態による超電導線材において、超電導状態の超電導層は相対的に低い磁場を経験する。それにより、相対的に磁場環境でさらに高い臨界温度電流を有することができる。
【００６４】
以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者であれば、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態で実施できるということを理解するはずである。したがって、以上で記述した実施形態は全ての面で例示的なものであって、限定的なものではないことを理解しなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、超電導線材、超電導マグネット等の高磁場の応用に適用可能である。
【図１】
2018534719.tif 000003
【図２（ａ）】
2018534719.tif 000004
【図２（ｂ）】
2018534719.tif 000005
【図３（ａ）】
2018534719.tif 000006
【図３（ｂ）】
2018534719.tif 000007
【図４】
2018534719.tif 000008
【図５（ａ）】
2018534719.tif 000009
【図５（ｂ）】
2018534719.tif 000010
【図５（ｃ）】
2018534719.tif 000011
【図５（ｄ）】
2018534719.tif 000012
【図６】
2018534719.tif 000013
【図７（ａ）】
2018534719.tif 000014
【図７（ｂ）】
2018534719.tif 000015
【図７（ｃ）】
2018534719.tif 000016
【図８】
2018534719.tif 000017
【図９】
2018534719.tif 000018
【図１０】
2018534719.tif 000019
【図１１】
2018534719.tif 000020
【図１２】
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【国際調査報告】
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2018534719.tif 000023
2018534719.tif 000024
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