JP5548441B2

JP5548441B2 - 超電導接続構造体および超電導線材の接続方法、超電導コイル装置

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Publication number: JP5548441B2
Application number: JP2009293416A
Authority: JP
Inventors: 真司藤田; 雅載大保
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: JP2011134610A

Description

本発明は、少なくとも２本の超電導線材どうしが接続された超電導接続構造体および超電導線材の接続方法、超電導コイル装置に関する。

近年になって発見されたＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ：ＲＥはＹを含む希土類元素）は、液体窒素温度以上で超電導性を示すことから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として用いることが強く要望されている。そして、酸化物超電導体を線材に加工するための方法として、強度が高く、耐熱性もあり、線材に加工することが容易な金属を長尺のテープ状に加工し、この金属基材上に酸化物超電導体を薄膜状に形成する方法が研究されている。

また、酸化物超電導体は電気的異方性を有しているので、基材上に酸化物超電導体を形成する場合に、結晶の配向制御を行う必要がある。しかしながら、金属基材自体は非結晶もしくは多結晶体であり、その結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、基材上に上記のような結晶配向性の良好な酸化物超電導体膜を形成することは困難である。
そこで、上記のような問題を解決するために、まず金属基材上に熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が基材と酸化物超電導体との中間的な値を示すＭｇＯ、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニウム）、ＳｒＴｉＯ_３等の材料から成る中間層を形成し、この中間層の上に酸化物超電導薄膜を形成することが行われている。

そして、上記中間層の製造方法の一例として、イオンビームアシスト法（ＩＢＡＤ法：Ion Beam Assisted Deposition）が知られており、この方法は、スパッタリング法によりターゲットから叩き出した構成粒子を基材上に堆積させる際に、イオン銃から発生されたアルゴンイオン等を同時に斜め方向（例えば、４５度）から照射しながら中間層を堆積させる方法として知られている。このＩＢＡＤ法によれば、基材上の成膜面に対して、高いｃ軸配向性およびａ軸面内配向性を有する中間層を得ることができるので、この中間層上に酸化物超電導薄膜を形成することで超電導特性の優れた酸化物超電導導体を得ることができる。
また、このような酸化物超電導体では、酸化物超電導層上に、銀や銅のような良導電性金属材料よりなる安定化層が設けられるのが一般的である。安定化層は、超電導層が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、該超電導層の電流を転流させるバイパスとして機能する。

ところで、このような酸化物超電導導体を、線材として実用機器に応用するには、酸化物超電導線材の接続技術の確立が不可欠であり、接続技術に関しての検討が進められている（例えば、特許文献１〜４参照）。
まず、特許文献１には、基材テープ上に酸化物超電導層と安定化銀層とがこの順に設けられた２本の酸化物超電導線材どうしを、安定化銀層側の表面を対向させ、ハンダを介して接続した構造が提案されている。
しかし、この接続構造は、接続された超電導線材どうしで表裏が反転する問題があり、超電導線材どうしの安定化銀層が同じ側を向いている場合、安定化銀層側の表面どうしを対向させるために一方のコイル線材の端部を反転させなくてはならない問題がある。
また、特許文献１には、超電導線材端部の超電導層どうしを面一に配置してから接続用超電導テープをのせて安定化銀層で覆って接続した構造も開示されているが、この構造では接続強度などの面において満足するものではない。なお、この接続用超電導テープの酸化物超電導層には、接続対象となる酸化物超電導層よりも低融点のものが選択され、低融点の酸化物超電導層が接続対象側の各酸化物超電導層に溶融、接着されているが、前述の融点関係を満たすために、各酸化物超電導層の構成材料が制限される問題がある。

また、特許文献２〜４には、２本の酸化物超電導線材の各接続端に、各接続端間を跨いで双方の各酸化物超電導層と接触する接続用超電導層を成膜することによって、各酸化物超電導層どうしを接続した接続方法が提案されている。
ここで、接続用超電導層は、気相成膜技術によって成膜されるため、この接続方法を行うには、大掛かりな成膜装置が必要となり、また、接続用超電導層を成膜するのに時間がかかり、接続作業が長時間に亘ってしまう。したがって、この接続方法は、作業現場で行うには適さず、実用性に欠ける問題がある。

特開２０００−１３３０６７号公報特開２００１−３１９７５０号公報特開２００５−６３６９５号公報特開２００８−６６３９９号公報

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、複数の超電導線材どうしを接続抵抗が低く、接続強度が高い状態で接合可能な超電導接続構造体、このような超電導接続構造体を特別な装置を用いることなく、簡便な接続作業で形成できる超電導線材の接続方法、及び、このような超電導接続構造体を用いた超電導コイル装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の構成を有する。
本発明の超電導接続構造体は、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材と、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、前記各超電導線材の各接続端どうしを接続する複数の接続用超電導テープとを有し、前記各超電導線材は、互いに、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配されており、前記各接続用超電導テープは、互いに間隔を空けて配列するように、それぞれ、その導電層側の表面を前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合され、さらに、前記接続端の長さ方向に並ぶ各接続用超電導テープを覆うとともに、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合され、少なくとも両端部を前記各接続端の前記導電層の表面に接合した金属カバーが設けられていることを特徴とする。

本発明の超電導接続構造体は、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材と、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、前記各超電導線材の各接続端どうしを接続する複数の接続用超電導テープとを有し、前記各超電導線材は、互いに、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配されており、前記各接続用超電導テープは、互いに間隔を空けて配列するように、それぞれ、その導電層側の表面を前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合され、金属板が、前記接続用超電導テープの配列と並んで、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合されていることを特徴とする。
本発明の超電導接続構造体は、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材と、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、前記各超電導線材の各接続端どうしを接続する複数の接続用超電導テープとを有し、前記各超電導線材は、互いに、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配されており、前記各接続端と、前記各接続用超電導テープとの間に、それぞれ、金属板が介在しており、前記金属板は、前記各接続端の前記導電層側の表面と、前記接続用超電導テープの前記導電層側の表面に接合され、前記金属板は、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合され、前記各接続用超電導テープは、互いに間隔を空けて配列するように、それぞれ、その導電層側の表面を、前記各接続端の双方に亘って、前記金属板に対向させて接合されていることを特徴とする。

本発明の超電導線材の接続方法は、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材を、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配置する工程と、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備える複数の接続用超電導テープを用意し、前記各接続用超電導テープを、互いに間隔を空けて配列させ、それぞれ、その導電層側の表面を、前記各接続端の各導電層側表面の双方に亘って、ハンダを介して接合する工程と、前記接続端の長さ方向に並ぶ各接続用超電導テープを覆うとともに、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合される金属カバーを設け、該金属カバーの少なくとも両端部を前記各接続端の前記導電層の表面に接合する工程とを有することを特徴とする。
本発明の超電導線材の接続方法は、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材を、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配置する工程と、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備える複数の接続用超電導テープを用意し、前記各接続用超電導テープを、互いに間隔を空けて配列させ、それぞれ、その導電層側の表面を、前記各接続端の各導電層側表面の双方に亘って、ハンダを介して接合する工程と、前記接続用超電導テープの配列と並んで、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って金属板を接合する工程とを有することを特徴とする。

本発明の超電導線材の接続方法は、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材を、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配置する工程と、複数の金属板を、互いに間隔を空けて配列させ、それぞれの前記金属板を、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って、第１のハンダを介して接合する工程と、基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備える複数の接続用超電導テープを用意し、各接続用超電導テープが、互いに間隔を空けて配列するように、それぞれ、その導電層側の表面を、前記各接続端の双方に亘って、前記各金属板の表面に、第２のハンダを介して接合する工程とを有することを特徴とする。
本発明において、前記第２のハンダは、前記第１のハンダよりも融点が低いことが好ましい。

本発明の超電導コイル装置は、導電層側の表面を外側にして巻回された超電導線材の巻回体からなる少なくとも２つの超電導コイルを有し、各超電導線材が、各接続端が接続されて超電導接続構造体を構成している超電導コイル装置であって、前記超電導接続構造体は、本発明の超電導接続構造体であることを特徴とする。

本発明の超電導接続構造体によれば、少なくとも２本の超電導線材を、各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、各接続端どうしが隣接するように配し、また、各接続用超電導テープを、互いに間隔を空けて配列させ、それぞれ、それらの導電層側の表面を各接続端の導電層側表面の双方に亘って接合するため、各接続端どうしが複数の接続用超電導テープを介して連結される。これにより、接続抵抗が低く、接続強度の高い超電導接続構造体を得ることができる。

また、この超電導接続構造体は、複数の接続用超電導テープが間隔を空けて配されているので、常温と冷却状態の低温との間で温度変化したとき、接続用超電導テープの接合材や接合材との接着部に生じる熱膨張差に起因する応力が分散され、各接続端の各導電層側表面に対する各接続用超電導テープの接合状態が保持される。
また、この超電導接続構造体では、接続された超電導線材どうしで裏表が一致しているため、超電導接続構造体として良好な取り扱い性を得ることができる。

また、この超電導接続構造体は、各超電導線材の各接続端の表面と、各接続用超電導テープとの間に、それぞれ、金属板が介在している場合に、接続用超電導テープによる接合部が金属板によって補強され、より高い接続強度を得ることができる。
金属板が、前記複数の接続用超電導テープの配列と並んで、各接続端の各導電層側表面の双方に亘って接合されている場合には、各接続端が、各接続用超電導テープによって連結されるとともに、金属板によっても連結され、より高い接続強度を得ることができる。
各接続端の各導電層側表面の双方に亘って、各接続用超電導テープを覆うように金属カバーが設けられている場合には、各接続端が、各接続用超電導テープによって連結されるとともに、金属カバーによっても連結され、より高い接続強度を得ることができる。
更に、金属カバーで各接続用超電導テープを覆うとともに、金属カバーの少なくとも両端部を接続端の表面側に接合している構造であると、冷媒による冷却時において、酸化物超電導層及び基材よりも金属カバーの材料の方が熱膨張係数が大きくので、より多く収縮する結果、金属カバーが各接続用超電導テープを超電導線材側に押し付けるので、各接続端の表面に対する各接続用超電導テープの密着性が向上する。これにより、冷媒で冷却して超電導線材に通電する場合の実使用時に、各接続用超電導テープと各超電導線材間のコンタクト抵抗を低くすることができる。
また、本発明の超電導線材の接続方法によれば、以上のような超電導接続構造体を、成膜装置などの特別な装置を用いることなく、簡単な接続作業で接続することができる。このため、接続作業現場であっても、作業に支障なく短時間に各超電導線材を接続することができる。

また、本発明の超電導コイル装置によれば、前述の超電導接続構造体を用いるため、超電導線材（コイル線材）間の接続抵抗が低く抑えられ、良好なコイル特性を得ることができる。また、常温と低温の間で温度変化したときにも、各接続用超電導テープの超電導線材への接合状態を保持することができ、低い接続抵抗および高い接続強度を維持できる。

参考例の超電導接続構造体の第１実施形態を示す概略斜視図。図１に示す超電導接続構造体が備える第１の超電導線材および第２の超電導線材を示す概略斜視図。本発明の超電導接続構造体の第２実施形態を示す概略斜視図。本発明の超電導接続構造体の第３実施形態を示す概略斜視図。本発明の超電導接続構造体の第４実施形態を示す概略斜視図。本発明の超電導コイル装置の実施形態を示す概略斜視図。

以下、本発明に係る超電導接続構造体の参考例として、第１実施形態について説明する。
図１は、参考例の超電導接続構造体の第１実施形態を示す概略斜視図、図２は、図１に示す超電導接続構造体が備える第１の超電導線材および第２の超電導線材を示す概略斜視図である。なお、図１および後述する図３〜５では、説明を簡単にするため、各超電導線材の一部の層を省略して示している。

図１に示す超電導接続構造体１Ａは、２本の超電導線材（第１の超電導線材２および第２の超電導線材３）と、各超電導線材２、３どうしを電気的および機械的に接続する複数の接続用超電導テープ４とを有している。
第１の超電導線材２および第２の超電導線材３は、それぞれ、各基材１１と反対側の表面（後述する各安定化層１９の表面）が上側となり、且つ、各接続端２１、３１の一方の側端面どうしが隣接するように配されており、各接続端２１、３１の上面（安定化層１９の表面）２１ａ、３１ａに、それぞれ、複数の（図１の形態では３つの）接続用超電導テープ４が接着されている。以下の説明では、第１の超電導線材２の接続端２１の上面２１ａを「第１の接続領域２１ａ」と称し、第２の超電導線材の接続端３１の上面３１ａを「第２の接続領域３１ａ」と称する。
図２に示すように、各超電導線材２、３は、それぞれ、テープ状の基材１１の上にベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と酸化物超電導層１７とが積層されるとともに、酸化物超電導層１７の上に安定化基層１８と安定化層（導電層）１９が積層され、全体が絶縁性の被覆層２０で覆われて概略構成されている。なお、各超電導線材２、３においてベッド層１２は略することもできる。また、第１の超電導線材２および第２の超電導線材３の端部側において被覆層２０が除去され、被覆層２０から引き出された接続端２１、３１の部分どうしが後述する如く接合されている。

本実施形態の各超電導線材２、３に適用できる基材１１は、通常の超電導線材の基材として使用でき、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のニッケル合金等の各種金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍである。
ベッド層１２は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層１２は、必要に応じて配され、例えば、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、「アルミナ」とも呼ぶ）等から構成される。このベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。

中間層１５は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層される酸化物超電導層１７の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から選択される。中間層１５の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物を例示することができる。
この中間層１５をＩＢＡＤ法により良好な結晶配向性（例えば結晶配向度１５゜以下）で成膜するならば、その上に形成するキャップ層１６の結晶配向性を良好な値（例えば結晶配向度５゜前後）とすることができ、これによりキャップ層１６の上に成膜する酸化物超電導層１７の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できるようにすることができる。

中間層１５の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．００５〜２μｍの範囲とすることができる。
中間層１５は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＢＡＤ法と略記する）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）；溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、酸化物超電導層１７やキャップ層の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、下地の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、ＭｇＯ又はＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３（ＹＳＺ）からなる中間層１５は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。

キャップ層１６は、前記中間層１５の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層は、前記金属酸化物層からなる中間層１５よりも高い面内配向度が得られる。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ_２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。

このＣｅＯ_２層は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが望ましい。ＰＬＤ法によるＣｅＯ２層の成膜条件としては、基材温度約５００〜１０００℃、約０．６〜１００Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
ＣｅＯ_２層の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましく、５００ｎｍ以上であれば更に好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５００〜１０００ｎｍとすることが好ましい。

酸化物超電導層１７は公知のもので良く、具体的には、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものを例示できる。この酸化物超電導層１７として、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）などを例示することができる。
酸化物超電導層１７は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等で積層することができ、なかでも生産性の観点から、ＴＦＡ−ＭＯＤ法（トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法）、ＰＬＤ法又はＣＶＤ法を用いることが好ましい。
このＭＯＤ法は、金属有機酸塩を塗布後熱分解させるもので、金属成分の有機化合物を均一に溶解した溶液を基材上に塗布した後、これを加熱して熱分解させることにより基材上に薄膜を形成する方法であり、真空プロセスを必要とせず、低コストで高速成膜が可能であるため長尺のテープ状酸化物超電導導体の製造に適している。

ここで前述のように、良好な配向性を有するキャップ層１６上に酸化物超電導層１７を形成すると、このキャップ層１６上に積層される酸化物超電導層１７もキャップ層１６の配向性に整合するように結晶化する。よって前記キャップ層１６上に形成された酸化物超電導層１７は、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層１７を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、金属基材１１の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、金属基材１１の長さ方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向している。従って得られた酸化物超電導層１６は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、金属基材２の長さ方向に電気を流し易くなり、十分に高い臨界電流密度が得られる。

酸化物超電導層１７の上に積層されている安定化基層１８はＡｇなどの良電導性かつ酸化物超電導層１７と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる層として形成される。
安定化層２は、良導電性の金属材料からなり、酸化物超電導層１７が超電導状態から常電導状態に遷移したときに、安定化基層１８とともに、酸化物超電導層１７の電流が転流するバイパスとして機能する。
安定化層２を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、Ｃｕ等の比較的安価なものを用いるのが好ましい。これにより、材料コストを低く抑えながら安定化層２を厚膜化することが可能となり、事故電流に耐える各超電導線材２、３を安価に得ることができる。

図１に示すように、以上のように構成された第１の超電導線材２および第２の超電導線材３においては、各接続端２１、３１の各安定化層１９の表面（第１の接続領域２１ａおよび第２の接続領域３１ａ）に、複数枚（本実施形態では３枚）の接続用超電導テープ４が接合されている。各接続用超電導テープ４は、各超電導線材２、３どうしを電気的および機械的に接続するものであり、第１の接続領域２１と第２の接続領域３１との合計幅Ｗと略同じ長さの帯状をなしている。
各接続用超電導テープ４としては、各超電導線材２、３と同様のものを用いることができる。ここで、各超電導線材２、３と各接続用超電導線材４とは、同じ層構成（設けられる層の種類および構成材料が同じ）であってもよく、異なる層構成であってもよいが、同じ層構成とする方が、各超電導線材２、３の一部を切断して接続用超電導テープ４として用いることができるため、簡便である。本実施形態では、各接続用超電導テープ４として、各超電導線材２、３と同じ層構成のものを用いる場合を例にする。

各接続用超電導テープ４は、それぞれ、それらの安定化層１９の表面４ａが、各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａに対向し、その長さ方向を各接続領域２１ａ、３１ａの幅方向と略直交するように、各接続領域２１ａ、３１ａどうしの境界を横切って配されており、互いに間隔Ｗ_２をあけて並列されている。そして、各接続用超電導テープ４の各安定化層１９の表面４ａが、ハンダを介して各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａに接合されている。
これにより、第１の超電導線材２と第２の超電導線材３は、各接続用超電導テープ４によって各接続端２１、３１どうしが連結され、電気的および機械的に接続されている。このように各超電導線材２、３どうしを、接続用超電導テープ４を介して接続することにより、接続抵抗が低く抑えられ、各超電導線材２、３どうしを強固に接続することができる。

そして、本実施形態の超電導接続構造体１Ａは、複数の接続用超電導テープ４が、互いに間隔Ｗ_２を空けて設けられている点に特徴がある。これにより、超電導接続構造体１Ａが常温と低温の間で温度変化しても、各接続領域２１ａ、３１ａに対する各接続用超電導テープ４の接合状態が保持され、低い接続抵抗および高い接続強度を維持することができる。
すなわち、超電導接続構造体１Ａは、常温から低温、低温から常温への温度変化（常温・低温サイクル）が負荷されることがある。この温度変化に伴って、超電導接続構造体１Ａを構成する各部が、それぞれの熱膨張率に応じて負荷がかかることがある。

ここで、本発明と異なり、幅広の接続用超電導テープを用いた場合、超電導接続構造体１Ａの温度が、常温から低温、低温から常温に変化すると、ハンダやハンダとの接着部に比較的大きな応力が生じる。その結果、幅広の接続用超電導テープを接合しているハンダの一部が剥離し、密着性が損なわれるおそれがある。
これに対して、幅狭の接続用超電導テープ４を複数枚用い、互いに間隔を空けて設けると、超電導接続構造体１Ａが常温と低温と間で温度変化しても、各接続用超電導テープの接合材や接合材との接着部に生じる応力を分散できるので、各接続領域２１ａ、３１ａに対する各接続用超電導テープ４の接合状態を保持し易い。
また、この超電導接続構造体１Ａでは、接続された超電導線材２、３どうしで裏表が一致するため、良好な取り扱い性を得ることができる。

次に、参考例に係る超電導線材の接続方法の第１実施形態について、図１に示す超電導接続構造体１Ａを形成する場合を例にして説明する。
まず、接続対象となる２本の超電導線材（第１の超電導線材２および第２の超電導線材３）と複数枚（本実施形態では３枚）の接続用超電導テープ４を用意する。
次に、各接続領域２１ａ、３１ａの各接続用超電導テープの接合領域に、ハンダを介して、各接続用超電導テープ４を接着する。
ハンダとしては、特に限定されず、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ系合金ハンダの他、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金等の鉛フリーハンダ等が挙げられ、これらのうちから１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。このうち、ハンダとしては、融点が３００℃以下のものを用いるのが好ましい。これにより、３００℃以下の温度でハンダ付けすることが可能となるので、ハンダ付けの熱によって酸化物超電導層１７の酸素が抜け、その特性が劣化するのを抑止することができる。

このように、本実施形態の超電導線材の接続方法では、２本の超電導線材２、３を、特別な装置を用いることなく、簡単なハンダ付け作業で接続することができる。このため、この超電導線材の接続方法によれば、場所を選ぶことなく、無理なく短時間に各超電導線材２、３を接続することができる。なお、ハンダについては、メッキ法により接続用超電導テープ４の安定化層１９の表面に予め形成しておいたものを加熱圧着するなどの方法を採用することができる。

次に、本発明の超電導接続構造体および超電導線材の接続方法の各第２実施形態について説明する。
図３は、本発明の超電導接続構造体の第２実施形態を示す概略斜視図である。
以下、第２実施形態に係る超電導接続構造体および超電導線材の接続方法について説明するが、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本実施形態にかかる超電導接続構造体１Ｂは、各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａと、各接続用超電導テープ４との間に、それぞれ、金属板５が介在されている以外は、前記第１実施形態の超電導接続構造体１Ａと同様の構成とされている。

各金属板５は、それぞれ、その上方に設けられた各接続用超電導テープ４と同じ平面形状をなしており、各接続領域２１ａ、３１ａに、第１のハンダを介し接合されている。
また、各接続用超電導テープ４は、それぞれ、各金属板５の各接続領域２１ａ、３１ａ側と反対側の表面に、その安定化層１９側の表面４ａを対向させ、第１のハンダよりも融点の低い第２のハンダを介し接合されている。

この第２実施形態においても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、第２実施形態の超電導接続構造体１Ｂでは、特に、各接続領域２１ａ、３１ａと各接続用超電導テープ４との間に、それぞれ、各金属板５が介在されていることにより、各接続用超電導テープ４が各金属板５によって補強され、より高い接続強度を得ることができる。
各金属板５の構成材料としては、機械的強度に優れるとともに、良導電性を有するものであるのが好ましい。各金属板５の構成材料としては、銀や銅が好適である。

次に、本発明の超電導線材の接続方法の第２実施形態について、図３に示す超電導接続構造体１Ｂを形成する場合を例にして説明する。
まず、接続対象となる２本の超電導線材（第１の超電導線材２および第２の超電導線材３）と、複数枚（本実施形態では３枚）の接続用超電導テープ４と、各接続用超電導テープ４と同じ枚数の金属板５を用意する。
そして、各超電導線材２、３を、安定化層１９側の表面（各接続領域２１ａ、３１ａ）が上方となり、各接続端部２１、３１の側端面が隣接するように設置した後、各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａの各金属板接合領域に、第１のハンダを介して、各金属板５をハンダ付けする。
次に、各金属板５上に、第１のハンダよりも融点の低い第２のハンダを介して、各接続用超電導テープ４をハンダ付けする。
ここで、各接続用超電導テープ４を接着するハンダとして、第１のハンダよりも融点の低い第２のハンダを用いることにより、各金属板５の接着工程よりも低い温度で各接続用超電導テープ４のハンダ付けを行うことができる。これにより、この工程で、第１のハンダが溶融して金属板５が位置ズレするのを抑えることができ、各金属板４および各接続用超電導テープ４を位置精度よく接着することができる。
以上の工程により、図３に示す超電導接続構造体１Ｂを形成することができる。

次に、本発明の超電導接続構造体および超電導線材の接続方法の各第３実施形態について説明する。
図４は、本発明の超電導接続構造体の第３実施形態を示す概略斜視図である。
以下、第３実施形態にかかる超電導接続構造体および超電導線材の接続方法について説明するが、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態にかかる超電導接続構造体１Ｃは、各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａに、接続用超電導テープ４の配列と並んで、金属板６が配設されている以外は、前記第１実施形態の超電導接続構造体１Ａと同様の構成とされている。
金属板６は、各超電導線材２、３の第１の接続領域２１ａと第２の接続領域３１ａとの合計幅Ｗと略同じ長さの帯状をなしている。
金属板６は、その長さ方向が各接続領域２１ａ、３１ａの幅方向と略直交するように、各接続領域２１ａ、３１ａどうしの境界を横切って配されており、最前列の接続用超電導テープ４の前方に、該接続用超電導テープ４と間隔を空けて配されている。そして、この金属板６は、ハンダを介して各接続領域２１ａ、３１ａに接合されている。

この第３実施形態においても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、第３実施形態の超電導接続構造体１Ｃでは、特に、各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａに、接続用超電導テープ４の配列と並んで、金属板６が配設されていることにより、各超電導線材２、３の各接続端２１、３１が、各接続用超電導テープ４によって連結されるとともに、この金属板６によっても連結される。したがって、より高い接続強度を得ることができる。
また、このように接続端２１、３１の表面に、各接続用超電導テープ４と金属板６を並べる構成では、金属板の上に接続用超電導テープ４を重ねる構成に比べて各接続端２１、３１の厚さを薄くできるという効果も得られる。

次に、本発明の超電導接続構造体および超電導線材の接続方法の各第４実施形態について説明する。
図５は、本発明の超電導接続構造体の第４実施形態を示す概略斜視図である。
以下、第４実施形態にかかる超電導接続構造体および超電導線材の接続方法について説明するが、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態にかかる超電導接続構造体１Ｄは、各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａの双方に亘って、各接続用超電導テープ４を覆うように金属カバー７が設けられている以外は、前記第１実施形態の超電導接続構造体１Ａと同様の構成とされている。
金属カバー７は、その中央領域が撓んだ帯状をなし、各超電導線材２、３の第１の接続領域２と第２の接続領域３の合計幅Ｗと略同一の幅と、接続用超電導テープ４の配列長より長い長さを有している。
この金属カバー７は、凹側の表面を各接続領域２１ａ、３１ａに対峙させ、その長手方向が各超電導線材２、３の長手方向と略一致するように、各接続用超電導テープ４を覆うように配され、各接続領域２１ａ、３１ａおよび各接続用超電導テープ４の上に、ハンダを介して接合されている。

この第４実施形態においても、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、第４実施形態の超電導接続構造体１Ｄでは、特に、各接続領域２１ａ、３１ａに、各接続用超電導テープ４を覆うように金属カバー７が設けられていることにより、各超電導線材２、３の各接続端２１、３１が、各接続用超電導テープ４によって連結されるとともに、この金属カバー７によっても連結される。また、各接続用超電導テープ４が金属カバー７によって補強される。したがって、さらに高い接続強度を得ることができる。

金属カバーの構成材料としては、機械的強度に優れるとともに、良導電性を有するものであるのが好ましい。金属板７が良導電性を有することにより、超電導線材２、３の超電導層が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、該金属カバー７が、超電導線材２、３の電流を転流するバイパスとして機能する。これにより、超電導線材２、３の接合部分及び各接続用超電導テープ４の部分において発熱することを防止できる。このような点から、金属板カバー７の構成材料としては、良電導性の銀や銅が好適である。

また、金属カバー７は銅や銀などの良導電性の金属材料からなり、各超電導線材２、３の酸化物超電導層１７を構成するセラミックス、基材１１を構成するハステロイ等の耐熱合金あるいは希土類系の酸化物超電導材料よりも熱膨張率が大きいため、超電導接続構造体１Ｄが冷媒により冷却されたとき、各超電導線材２、３よりも大きく収縮しようとする。その結果、金属カバー７は、長手方向の両側から引っ張られた状態で縮小することになり、各接続用超電導テープ４に対しては、これらを各接続領域２１ａ、３１ａ側に押し付けるように押圧力が作用する。これにより、各接続用超電導テープ４と各接続領域２１ａ、３１ａとの密着性を高くすることができる。

図５に示す超電導接続構造体１Ｄを形成するには、図１に示す構造を作製した後、各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａに、各接続用超電導テープ４を覆うように、ハンダを介して、金属カバー７を接続端２１、３１の表面にハンダ付けすれば良い。
ここで、各接続用超電導テープ４が互いに間隔を空けて設けられていることにより、各接続用超電導テープ４どうしの間にもハンダを充填することができる。その結果、各接続用超電導テープ４上に、金属カバー７を均一かつより強固に接着することができる。
以上の工程により、図５に示す超電導接続構造体１Ｄを形成できる。
このように、本実施形態の超電導線材の接続方法では、２本の超電導線材２、３を、特別な装置を用いることなく、簡単な接続作業で接続することができる。このため、この超電導線材の接続方法によれば、作業場所を選ぶことなく、無理なく短時間に各超電導線材２、３を接続することができる。

次に、本発明に係る超電導コイル装置の一実施形態について説明する。
図６は、本発明の超電導コイル装置の一実施形態を示すものであり、図６（ａ）は概略斜視図、図６（ｂ）は側面図である。
この超電導コイル装置１００は、第１の超電導線材２によって構成された第１の超電導コイル１０１と、第２の超電導線材３によって構成された第２の超電導コイル１０２と、各超電導線材２、３どうしを接続する複数枚（本実施形態では３枚）の接続用超電導テープ４を有している。
各超電導線材２、３および各接続用超電導テープ４としては、前記第１実施形態と同様のものを用いることができる。
第１の超電導コイル１０１は、第１の超電導線材２が、安定化層１９の表面を外側にして、左回りに多数回巻回されて構成されている。
また、第２の超電導コイル１０２は、第１の超電導コイル１０１の上方に重ねられ、第２の超電導線材３が、安定化層１９の表面を外側にして右回りに多数回巻回されて構成されている。
そして、第１の超電導線材２および第２の超電導線材３の外側の各端部（接続端２１、３１）は、側端面どうしが隣接するように配されており、各接続端２１、３１の外側面に、複数の接続用超電導テープ４が接着されている。
以下の説明では、第１の超電導線材２の接続端２１の外側面を「第１の接続領域２１ａ」と言い、第２の超電導線材３の接続端３１の外側面を「第２の接続領域３１ａ」と言う。

各接続用超電導テープ４は、それぞれ、その安定化層１９の表面４ａが、各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａに対向し、その長さ方向が各接続領域２１ａ、３１ａの幅方向と略直交するように、各接続領域２１ａ、３１ａどうしの境界を横切って配されており、互いに間隔Ｗ_２を空けて並列されている。そして、各接続用超電導テープ４の各安定化層１９の表面が、ハンダを介して各超電導線材２、３の各接続領域２１ａ、３１ａに接合されている。すなわち、各接続用超電導テープ４は、互いに間隔Ｗ_２を空けて配列するように、それぞれ、その安定化層１９の表面４ａが、各接続領域２１ａ、３１ａの双方に亘って接合されている。
これにより、第１の超電導線材２（第１の超電導コイル１０１）と第２の超電導線材３（第２の超電導コイル１０２）とは、各接続用超電導テープ４によって各接続端２１、３１どうしが連結され、電気的および機械的に接続される。このように各超電導線材２、３どうしを、各接続用超電導テープ４を介して接続することにより、接続抵抗が低く抑えられ、良好なコイル特性を得ることができる。また、各超電導線材２、３どうしが強固に連結され、優れた接続強度を得ることができる。

以上、本発明の超電導接続構造体および超電導線材の接続方法、超電導コイル装置について説明したが、各実施形態において、超電導接続構造体の各部、超電導線材の接続方法の各工程、超電導コイル装置を構成する各部は一例であって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。例えば、第４実施形態の超電導コイル装置では、第１実施形態の超電導接続構造体を用いているが、本発明の超電導コイル装置としては、第２実施形態〜第３実施形態の超電導接続構造体を用いたものであってもよい。

本発明は、例えば超電導モータ、限流器など、各種電力機器に用いられる超電導接続構造体に利用することができる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…超電導接続構造体、２…第１の超電導線材、２１…接続端、２１ａ…第１の接続領域、３…第２の超電導線材、３１…接続端、３１ａ…第２の接続領域、４…接続用超電導テープ、５、６…金属板、７…金属カバー、１１…基材、１２…ベッド層、１５…中間層、１６…キャップ層、１７…酸化物超電導層、１８…安定化基層、１９…安定化層、１００…超電導コイル装置、１０１…第１の超電導コイル、１０２…第２の超電導コイル。

Claims

基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材と、
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、前記各超電導線材の各接続端どうしを接続する複数の接続用超電導テープとを有し、
前記各超電導線材は、互いに、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配されており、
前記各接続用超電導テープは、互いに間隔を空けて配列するように、それぞれ、その導電層側の表面を前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合され、
さらに、前記接続端の長さ方向に並ぶ各接続用超電導テープを覆うとともに、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合され、少なくとも両端部を前記各接続端の前記導電層の表面に接合した金属カバーが設けられていることを特徴とする超電導接続構造体。
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材と、
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、前記各超電導線材の各接続端どうしを接続する複数の接続用超電導テープとを有し、
前記各超電導線材は、互いに、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配されており、
前記各接続用超電導テープは、互いに間隔を空けて配列するように、それぞれ、その導電層側の表面を前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合され、
金属板が、前記接続用超電導テープの配列と並んで、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合されていることを特徴とする超電導接続構造体。
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材と、
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、前記各超電導線材の各接続端どうしを接続する複数の接続用超電導テープとを有し、
前記各超電導線材は、互いに、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配されており、
前記各接続端と、前記各接続用超電導テープとの間に、それぞれ、金属板が介在しており、
前記金属板は、前記各接続端の前記導電層側の表面と、前記接続用超電導テープの前記導電層側の表面に接合され、前記金属板は、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合され、
前記各接続用超電導テープは、互いに間隔を空けて配列するように、それぞれ、その導電層側の表面を、前記各接続端の双方に亘って、前記金属板に対向させて接合されていることを特徴とする超電導接続構造体。
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材を、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配置する工程と、
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備える複数の接続用超電導テープを用意し、前記各接続用超電導テープを、互いに間隔を空けて配列させ、それぞれ、その導電層側の表面を、前記各接続端の各導電層側表面の双方に亘って、ハンダを介して接合する工程と、
前記接続端の長さ方向に並ぶ各接続用超電導テープを覆うとともに、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って接合される金属カバーを設け、該金属カバーの少なくとも両端部を前記各接続端の前記導電層の表面に接合する工程とを有することを特徴とする超電導線材の接続方法。
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材を、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配置する工程と、
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備える複数の接続用超電導テープを用意し、前記各接続用超電導テープを、互いに間隔を空けて配列させ、それぞれ、その導電層側の表面を、前記各接続端の各導電層側表面の双方に亘って、ハンダを介して接合する工程と、
前記接続用超電導テープの配列と並んで、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って金属板を接合する工程とを有することを特徴とする超電導線材の接続方法。
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備え、その端部が接続端とされた少なくとも２本の超電導線材を、前記各導電層側の表面が同じ側となり、且つ、前記各接続端の側端面どうしが隣接するように配置する工程と、
複数の金属板を、互いに間隔を空けて配列させ、それぞれの前記金属板を、前記各接続端の前記各導電層側の表面の双方に亘って、第１のハンダを介して接合する工程と、
基材と、該基材上に設けられた超電導層と、該超電導層上に設けられた導電層とを備える複数の接続用超電導テープを用意し、各接続用超電導テープが、互いに間隔を空けて配列するように、それぞれ、その導電層側の表面を、前記各接続端の双方に亘って、前記各金属板の表面に、第２のハンダを介して接合する工程とを有することを特徴とする超電導線材の接続方法。
前記第２のハンダは、前記第１のハンダよりも融点が低いことを特徴とする請求項６に記載の超電導線材の接続方法。
導電層側の表面を外側にして巻回された超電導線材の巻回体からなる少なくとも２つの超電導コイルを有し、各超電導線材が、各接続端が接続されて超電導接続構造体を構成している超電導コイル装置であって、
前記超電導接続構造体は、請求項１〜３のいずれかに記載の超電導接続構造体であることを特徴とする超電導コイル装置。