JP2010003435A - 超電導線材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】c軸面を主面とした第1超電導層を有する第1超電導線と、前記第1超電導体と並置され、c軸面を主面とした第2超電導層を有する第2超電導線と、前記第1超電導層の前記主面と、前記第2超電導層の前記主面と、にそれぞれ接続され、前記第1超電導層と前記2超電導層とを電気的に接続する超電導体からなる超電導接続体と、を備えたことを特徴とする超電導線材を提供する。
【選択図】図1
Description
特に、最近実用化が進められている高臨界電流酸化物超電導材料は、核融合炉、磁気浮上列車、加速器、磁気診断装置(MRI)などへの有用な応用が期待され、一部は既に実用化がなされている。
Journal of Physics: Conference Series VOL.43 (2006), ppp.166-169, 7th European Conference on Applied Superconductivity, "Low resistance of the YBCO coated conductor" by J.Kato-Yoshioka, N.Sakai, S.Tajima, S.Miyata, T.Watanabe, Y.Yamada, N.Chikumoto, K.Nakao, T.Izumi and Y.Shiohara.
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超電導線材の構成を例示する模式的図である。 図2は、本発明の第1の実施形態に係る超電導線材の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図(a)は模式的斜視図であり、同図(b)は同図(a)のV方向から見たときの平面図であり、同図(c)は同図(b)のA−A’線断面図である。
また、図2は、図1(c)に例示した断面図に相当する断面図であり、超電導線材の構造の1つの具体例をより詳細に例示している。
そして、第2超電導線200と超電導接続体300とが対向する面積は、第2超電導線200の延在方向に対して直交する平面における第1超電導線200の第2超電導層240の断面積の100倍以上とすることができる。
図3は、比較例の超電導線材の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図(a)〜(c)は、第1〜第3の比較例の超電導線材の構成を例示している。
図3(a)に表したように、第1の比較例の超電導材91では、第1、第2超電導線100、200の第1、第2超電導層140、240が同じ側になるように、第1、第2超電導線100、200を配置し、その上に、例えば、常電導のはんだからなる接続材510が設けられる。これによって、第1超電導線100と第2超電導線200とが接続される。この場合、接続材510は常電導体であり、抵抗値が零の超電導体と比べ物にならないほどの大きな抵抗値となる。このため、第1、第2超電導線100、200と接続材510との間の接続領域の面積を、現実的に可能な範囲でいくら大きくしても、超電導線材91のJc値を維持できる接続は出来ない。この時に接続部の抵抗値を測定すると、1.0×10−6Ω以上の値となる。
このように、比較例の超電導線材91〜93においては、十分低い抵抗値で超電導電流を流せる接続は実現できない。
図4(a)に表したように、本実施形態に係る超電導線材10aにおいては、第1超電導線100、第2超電導線200、及び、それらを接続する超電導接続体300の幅が略同一である。そして、これらの側面(延在方向に対して平行で主面に対して垂直な面)が略一致している。このようにすることで、第1超電導線100と第2超電導線200のは幅方向の全部の長さに渡って電流を流すことができるので効率が良い。
そして、第1超電導線100及び第2超電導線200の上に、超電導接続体300を設ける際に、第1超電導線100及び第2超電導線200を固定し支持する支持材(図示しない)を設けることがある。この時に、その支持材は第1、第2超電導線100、200の幅よりも幅を広くして、安定して支持するようにすることができる。この時、その支持材の形状に合わせて超電導接続体300を設けることができ、この時、超電導接続体300の幅は、第1、第2超電導線100、200の幅よりも広くなる。これにより、接続部の機械的強度をより高めることができる。
また、例えば、第1、第2超電導線100、200の上に超電導接続体300を形成する際に使用する治工具の設計を、超電導接続体300の幅が第1、第2超電導線100、200の幅よりも細くなるように設計することができる。これにれより、第1、第2超電導線100、200を治工具に設置する際の位置精度の許容が拡大する。これによっても、製造マージンが広がり、作りやすい超電導線材が提供できる。
なお、超電導接続体300の幅を狭くしたときに、Jc値が低下する懸念があるが、これに対しては、第1、第2超電導線100、200と超電導接続体300との接続長さを長くして接触面積を広くすることで対応でき、実用的には問題にはならない。
図5(a)に表したように、本実施形態に係る変形例の超電導線材10gにおいては、第1超電導線100と第2超電導線200とが、延在方向に対して直交する方向に隣り合って配置され、それらの上に超電導接続体300が設けられている。すなわち、第1超電導線100の延在方向に対して平行な側面と、第2超電導線200の延在方向に対して平行な側面と、が対向するように、第1及び第2超電導線100、200が並置されている。このように、第1超電導線100と第2超電導線200とを、延在方向に対して直交する方向に並べることで、第1超電導線100と第2超電導線200とが互いに隣り合う長さが拡大できる。
例えば、第1超電導線100及び第2超電導線200が隣接する長さは、第1超電導線100及び第2超電導線200の線幅の10倍以上とすることができる。
さらに、第1超電導線100の幅及び第2超電導線100の幅の1cmあたり30A以上とすることができる。すなわち、第1超電導線100、超電導接続体300及び第2超電導線200を流れる電流は、第1超電導線100の幅及び第2超電導線100の幅の1cmあたり30A以上とすることができる。
ただし、超電導接続体300となる超電導層には、第1、第2超電導線100、200の超電導層140、240とは異なる種類の材料を用いることが望ましい。超電導接続体300となる超電導層の材料には、例えばSmBa2CuO7−x等を用いることができる。
以下、本実施形態にかかる第1の実施例について説明する。
図6は、本発明の第1の実施例に係る超電導線材の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(a)は模式的斜視図であり、同図(b)は同図(a)のV方向から見たときの平面図であり、同図(c)は同図(b)のA−A’線断面図である。
第1超電導線100と第1超電導線200の長さは、それぞれ約50cmである。そして、第1超電導線100の一端を1Aとし、第2超電導線200の一端を1Bとする。
以下、第1、第2超電導線100、200との接続部を、被加工部1Xと呼ぶことにする。
本発明の第2の実施形態に係る超電導線材においては、第1の実施形態において、第1、第2超電導線どうしの間の隙間に、埋め込み材が設けられるものである。それ以外は、第1の実施形態と同様である。従って、この埋め込み材に関して説明する。
すなわち、同図は、図1(b)のA−A’線断面に相当する模式的断面図である。
図7に表したように、本発明の第2の実施形態に係る超電導線材20では、第1超電導線100と第2超電導線200との間の間隙に埋め込み材410が設けられる。
この埋め込み材410には、例えば各種の金属を用いることができる。
本発明の第3の実施形態に係る超電導線材においては、第1、第2超電導線の厚みが異なる際に用いられる段差調節材がさらに設けられる。これ以外は、第1、第2の実施形態と同様とすることができる。以下では、第2の実施形態に係る超電導線材20において、段差調節材がさらに設けられる場合として説明する。
すなわち、同図は、図1(b)7のA−A’線断面に相当する模式的断面図である。
図8に表したように、本発明の第3の実施形態に係る超電導線材30では、第1超電導線100及び第2超電導線200の少なくともいずれかの、超電導接続体300と対向する面と反対の側の面に設けられ、第1超電導線100及び第2超電導線200の前記面の段差を調節する段差調節材420をさらに備える。
すなわち、段差調節材420は、第1超電導線100及び第2超電導線200の超電導接続体300と対向す面の段差を小さくする。
図9は、本発明の第4の実施形態に係る超電導線材の構成を例示する模式的図である。 すなわち、同図(a)は模式的斜視図であり、同図(b)は同図(a)のV方向から見たときの平面図であり、同図(c)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図9に表したように、本発明の第4の実施形態に係る超電導線材40は、第1超電導線100と、第2超電導線200と、第1超電導線100のc軸面111と、第2超電導線200のc軸面211と、に対向して設けられ、第1超電導線100と2超電導線200とを電気的に接続する超電導接続体300と、を備える。
すなわち、超電導線材40は、第1超電導層140が後退した部分の第1超電導線100及び第2超電導層240が後退した部分の第2超電導線200と、超電導接続体300と、の間に設けられた接続配向層435をさらに有する。
このように、本実施形態にかかる超電導線材40によれば、超電導接続体の配向性をさらに高め、超電導線材を超電導線材を電流許容量の大きな超電導体で接続することにより十分な低抵抗で接続された超電導線材が提供できる。
図10に表したように、接続する第1、第2超電導線100、200の間隙が極小となるように、第1、第2超電導線100、200の端部の形状を、例えばレーザーカットにより、揃える。
例えば、間隙が埋められた2本の超電導線に対して、例えばイオンミリングにより、深さ方向へ例えば1μm程度のエッチングを行う。このエッチングにより、例えば、第1、第2超電導層140、240(YBCO層)から、その下地である、例えば、中間層132、232(CeO2層)及び配向層131、2331(IBAD層)が露出する。なお、エッチングの深さを深くして、その下の例えば、Hastelloy-C層130、230や、第1基材120、220となるNi−W層を露出させても良い。
このような表面は、配向性にダメージを受けた層であるので、その上にYBCO成膜を行っても超電導特性を示し難いことがある。このため、削りだした部分に、以下に説明するように接続配向層435を設ける。
このようにして本実施形態に係る超電導線材40が得られる。
ただし、本実施形態に係る超電導線材40においても、第1の実施形態の超電導線材10と同様に、超電導接続体300となる超電導層には、第1、第2超電導線100、200の超電導層140、240とは異なる種類の材料を用いることが望ましい。
長さが約50cmの第1、第2超電導線100、200の、それぞれの一端2A、2Bに、Hastelloy-Cからなるガイド2C、2Dをとりつける。
第1、第2超電導線100、200においては、金属テープなどの基材120、220の上に、配向性を持たないHastelloy-C層130、230が設けられ、その上にIBAD法により成膜された8mol%Y2O3配合のZrO2層からなる配向層131、231が設けられ、その上にPLD法により成膜されたCeO2層からなる中間層132、232が設けられ、さらにその上にYBCO層からなる超電導層140、240が設けられている。
電気炉の冷却後、被加工部2Xを電気炉から取り出し、本実施例の超電導線材42(図示しない)が得られる。
長さが約50cmの第1、第2超電導線100、200の、それぞれの一端3A、3Bに、Hastelloy-Cからなるガイド3Cおよびガイド3Dをそれぞれとりつける。
第1、第2超電導線100、200においては、金属テープなどの基材120、220の上に、配向性を持たないHastelloy-C層130、131が設けられ、その上にIBAD法により成膜されたGa2Zr2O7からなる配向層131、231が設けられ、その上にPLD法により成膜されたCeO2からなる中間層132、232が設けられ、さらにその上にYBCO膜からなる第1、第2超電導層140、240が設けられている。
電気炉の冷却後、被加工部3Xを電気炉から取り出し、本実施例の超電導線材43が得られる。
長さが約50cmの第1、第2超電導線100、200の、それぞれの一端4A、4Bに、Hastelloy-Cからなるガイド3Cおよびガイド3Dをそれぞれとりつける。
第1、第2超電導線100、200においては、配向層を持つNi−Wからなる基材120、220の上にY2O3からなるシード層が設けられ、その上にYSZからなるバリア層が設けられ、その上にCeO2からなる中間層132、232が設けられている。これらのシード層、バリア層、中間層132、232は全てPLD法によって形成されている。そして、中間層の上にYBCO膜からなる第1、第2超電導層140、240が設けられている。
電気炉の冷却後、被加工部4Xを電気炉から取り出し、本実施例の超電導線材44(図示しない)が得られる。
この接続抵抗値は、高特性NMRに要求される1.0×10−12Ω以下を満たしている。このように、RABiTS層の上に形成された超電導線層を有する超電導線においても、永久電流モードに必要な抵抗値の超電導接続が行える。
長さが約50cmの第1、第2超電導線100、200の、それぞれの一端5A、5Bに、Hastelloy-Cからなるガイド5Cおよびガイド5Dをそれぞれとりつける。
電気炉の冷却後、被加工部5Xを電気炉から取り出し、本実施例の超電導線材45(図示しない)が得られる。
長さが約50cmの超電導線を10本(すなわち2本ずつの組みを5組)の、それぞれの一端のそれぞれに、Hastelloy-Cからなるガイド6Cおよびガイド6Dをとりつける。 10本の超電導線においては、金属テープ等の基材120の上に配向性を持たないHastelloy-C層130が設けられ、その上にIBAD法により成膜された8mol%Y2O3配合のZrO2(YSZ)からなる配向層が設けられ、その上にPLD法により成膜されたCeO2からなる中間層が設けられおり、その上にPLD法で成膜されたYBCO膜からなる超電導層が設けられている。
電気炉の冷却後、被加工部6X1、6X2、6X3、6X4、6X5を電気炉から取り出し、本実施例の超電導線材46a、46b、46c、46d、46e(図示しない)が得られる。
図11は、本発明の第5の実施形態に係る超電導線材の製造方法を例示するフローチャート図である。
図11に表したように、本発明の第5の実施形態に係る超電導線材の製造方法においては、第1超電導線100のc軸面111と、第2超電導線200のc軸面211と、の上に、第1超電導線100と第2超電導線200とを電気的に接続する超電導接続体300を形成する(ステップS10)。
これにより、超電導線材を許容電流値が大きく出来る超電導体で接続する、超電導線材の製造方法が提供できる。
図12に表したように、本発明の第5の実施形態に係る別の超電導線材の製造方法においては、超電導接続体の形成(ステップS10)の前に、まず、第1超電導線100の第1超電導層140と、第2超電導線200の第2超電導層240と、を第1超電導線100と第2超電導線200とが対向する面よりも後退させる(ステップS8)。
図13に表したように、本発明の第5の実施形態に係る別の超電導線材の製造方法においては、超電導接続体の形成(ステップS10)の前に、第1超電導線100の第1超電導層140の側の第1主面と、第2超電導線200の第2超電導層240の側の第2主面と、の段差を調節する段差調節材420を、前記第1主面と反対の側の第1超電導線100の面、及び、前記第2主面と反対の側の第2超電導線200の面、の少なくともいずれかに設ける(ステップS7)。
これにより、第1超電導線100の第1超電導層140の側の第1主面と、第2超電導線200の第2超電導層240の側の第2主面と、の段差を小さくすることができ、接続部の超電導電流許容量ををさらに高めることができる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
100 第1超電導線
110 c軸
111 c軸面
120 第1基材
130 Hastelloy-C層
131 配向層
132 中間層
140 第1超電導層
200 第2超電導線
210 c軸
211 c軸面
220 第2基材
230 Hastelloy-C層
231 配向層
232 中間層
240 第2超電導層
300 超電導接続体
310 c軸
410 埋め込み材
420 段差調節材
431 接続部配向層
432 接続部中間層
435 接続配向層
450 マスク
510、520、530 接続材
531 充填材
a1〜a5 矢印
Claims (18)
- c軸面を主面とした第1超電導層を有する第1超電導線と、
前記第1超電導体と並置され、c軸面を主面とした第2超電導層を有する第2超電導線と、
前記第1超電導層の前記主面と、前記第2超電導層の前記主面と、にそれぞれ接続され、前記第1超電導層と前記2超電導層とを電気的に接続する超電導体からなる超電導接続体と、
を備えたことを特徴とする超電導線材。 - 前記第1超電導層と前記超電導接続体とが接続された部分の面積は、前記第1超電導線の延在方向に対して直交する平面における前記第1超電導層の断面積の100倍以上であり、
前記第2超電導層と前記超電導接続体とが接続された部分の面積は、前記第2超電導線の延在方向に対して直交する平面における前記第2超電導層の断面積の100倍以上であることを特徴とする請求項1記載の超電導線材。 - 前記第1及び第2超電導線は、前記第1超電導線の延在方向に対して平行な側面と、前記第2超電導線の延在方向に対して平行な側面と、が対向するように並置され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。
- 前記第1超電導線及び前記第2超電導線が対向する長さは、前記第1超電導線及び前記第2超電導線の線幅の10倍以上であることを特徴とする請求項3記載の超電導線材。
- 前記第1超電導線、前記超電導接続体及び前記第2超電導線を流れる電流は、前記第1超電導線の幅及び前記第2超電導線の幅の1cmあたり5A以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の超電導線材。
- 前記第1超電導線、前記超電導接続体及び前記第2超電導線を流れる電流は、前記第1超電導線の幅及び前記第2超電導線の幅の1cmあたり30A以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の超電導線材。
- 前記第1超電導線と前記第2超電導線との間の間隙に埋め込まれた埋め込み材をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の超電導線材。
- 前記第1超電導線及び前記第2超電導線の少なくともいずれかの、前記超電導接続体と対向する面と反対の側の面に設けられ、前記第1超電導線及び前記第2超電導線の前記主面の段差を調節する段差調節材をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の超電導線材。
- 前記第1超電導層と、前記第2超電導層と、は、前記第1超電導線と前記第2超電導線とが対向する面よりも後退しており、前記第1超電導層が後退した部分の第1超電導線及び前記第2超電導層が後退した部分の第2超電導線と、前記超電導接続体との間に設けられた配向層をさらに有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の超電導線材。
- 前記第1超電導層の後退した前記部分、及び、前記第2超電導層が後退した前記部分は、エッチングにより形成されてなることを特徴とする請求項9記載の超電導線材。
- 前記第1超電導線と、前記第2超電導線と、は、配向した非超電導酸化物を含むことを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の超電導線材。
- 前記超電導接続体は、前記第1超電導層に含まれる元素と異なる元素を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の超電導線材。
- 前記超電導接続体は、前記第2超電導層に含まれる元素と異なる元素を含むことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つに記載の超電導線材。
- 前記超電導接続体の厚さは、0.5μm以上であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つに記載の超電導線材。
- c軸面を主面とした第1超電導層を有する第1超電導線の前記主面と、c軸面を主面とした第2超電導層を有する第2超電導線の前記主面と、の上に、前記第1超電導線と前記2超電導線とを電気的に接続する超電導体からなる超電導接続体を形成することを特徴とする超電導線材の製造方法。
- 前記超電導接続体を形成する前に、
前記第1超電導層と、前記第2超電導層と、を前記第1超電導線と前記第2超電導線とが対向する面よりも後退させ、
前記第1超電導層が後退した部分の第1超電導線と、前記第2超電導層が後退した部分の第2超電導線と、の上に配向層を形成することを特徴とする請求項15記載の超電導線材の製造方法。 - 前記超電導接続体を形成する前に、
前記第1超電導層の前記主面と、前記第2超電導層の前記主面と、の段差を調節する段差調節材を、前記主面と反対の側の第1超電導線の面、及び、前記主面と反対の側の前記第2超電導線の面面、の少なくともいずれかに設けることを特徴とする請求項15または16に記載の超電導線材の製造方法。 - 前記超電導接続体を形成する前に、
前記第1超電導線の延在方向に対して平行な側面と、前記第2超電導線の延在方向に対して平行な側面と、が対向するように前記第1及び第2超電導線を並置することを特徴とする請求項15〜17のいずれか1つに記載の超電導線材の製造方法。
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