JP5847009B2 - 酸化物超電導線材 - Google Patents

Description

本発明は、安定化層を備えた構造の酸化物超電導線材に関する。

近年、一般式Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８＋δ（Ｂｉ２１２２）またはＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０＋δ（Ｂｉ２２２３）で表記されるＢｉ系超電導線材、あるいは、一般式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ（ＲＥ１２３、ＲＥ：希土類元素）で表記されるＹ系超電導線材などの希土類系超電導線材の開発が進められている。
この希土類系酸化物超電導線材の一例構造として、金属テープなどの基材上に中間層を介し酸化物超電導層を成膜した後、酸化物超電導層を保護するＡｇの保護層を形成し、更に、酸化物超電導層が何らかの原因で超電導状態から常電導状態に転移した際の電流パスとして機能するＣｕの安定化層を形成した構造が知られている。

希土類系超電導線材はＮｉ合金などのように強度の高い材料からなるテープ状の基材上に酸化物超電導層を形成することで、長手方向に高い引張強度を有するが、一般にテープ面に垂直な方向の応力に対する強度は、長手方向の強度に比べて弱いとされている。
また、希土類系超電導線材をコイル状に巻回し、エポキシ樹脂を含浸させて固定した超電導コイルを作製すると、希土類系超電導線材とエポキシ樹脂の冷却時の熱収縮差により、また、通電時のフープ応力（超電導コイルを外側に拡張する方向に作用する応力）等により、テープ面に垂直な方向の剥離応力が作用して酸化物超電導線材が劣化する可能性がある。

上述の剥離応力に対する強度を向上させ得る技術として、以下に示す特許文献に記載の技術が知られている。
特許文献１に記載の技術は、高温超電導線材に作用する剥離力を低減する技術として、テープ状の金属基材と、この金属基材上に順次形成した中間層と、酸化物超電導層と、保護金属層を備え、保護金属層の表面の少なくとも一部に剥離材層を形成し、更にコイル加工した超電導コイルが知られている。剥離材層の構成材料として特許文献１には、フッ素系樹脂、パラフィン、グリース及びシリコンオイルが開示されている。

特開２０１０−２６７５５０号公報

酸化物超電導コイルは、液体窒素などの冷媒を用いるか、冷凍機などの冷却装置を用いて臨界温度以下に冷却して使用するので、多層巻きコイルなどのコイル形状に加工したとしても、酸化物超電導層を効率良く冷却する必要がある。ところが、上述の剥離材層を設けた構造では、含浸させたエポキシ樹脂と超電導コイルとの間に剥離材層が介在するので、熱的接触が悪くなり、酸化物超電導層の冷却効率が低下する問題がある。

本発明は、以上のような従来の背景に鑑みなされたもので、超電導コイルとして加工して含浸樹脂により固めた構造として超電導線材に応力が作用したとしても、該応力を緩和できる構造を導入した酸化物超電導線材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の超電導線材は、テープ状の基材の一方の面上に中間層と酸化物超電導層と保護層をこの順に積層して酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体の前記保護層上に導電材料からなる安定化材が配置された酸化物超電導線材であって、前記安定化材が上板と下板を備え、該上板と下板が長手方向に渡って幅方向両端部で電気的かつ機械的に接続され、前記上板と下板との間に中空部が形成されるか、前記上板と下板とが重ね合わされたことを特徴とする。
安定化材が上板と下板とからなる２重構造であると、超電導線材をコイル化して含浸樹脂で固定した、冷却時の熱膨張差に起因する応力が作用した場合、上板と下板とが離間する方向に変形することで、これらの応力を吸収できる。このため、酸化物超電導積層体の酸化物超電導層の部分あるいはその周囲の層に作用する剥離応力を低減することが可能となり、応力負荷に起因して超電導特性が劣化する現象を抑制できる。

本発明において、前記安定化材を偏平型の中空パイプとすることができる。
偏平型の中空パイプからなる安定化材であるならば、中空パイプを構成する上板と下板とが対向配置された安定化材であるので、酸化物超電導線材を構成する酸化物超電導積層体の面方向に垂直な剥離応力が作用しても、中空パイプの上板と下板が離間する方向に変形することで応力を吸収できる。また、中空パイプの安定化材は、酸化物超電導層が超電導状態から常電導状態に転移しようとした場合の電流のバイパスとなり、上板と下板を有し、導体としての断面積も大きくできるので、酸化物超電導線材を安定化する場合に有利な特徴を有する。

本発明において、前記安定化材が、上板と下板を重ね合わせ、それらの幅方向両端部を導電性の接合材で一体化した構成にできる。
この構造において酸化物超電導線材を構成する酸化物超電導積層体の面方向に垂直な剥離応力が作用しても、導電性の接合材で一体化した上板と下板が離間する方向に変形することで応力を吸収できる。
本発明において、前記安定化材が１枚の金属板を２つ折りして重ね合わせ、前記金属板の重ね合わせ先端縁側を接合材で一体化した構成でも良い。
この構造において酸化物超電導線材を構成する酸化物超電導積層体の面方向に垂直な剥離応力が作用しても、２つ折りして金属板を重ね合わせ構造とした上板と下板が離間する方向に変形することで応力を吸収できる。

本発明において、前記保護層上に配置された安定化材が、前記酸化物超電導積層体の外周を取り囲むように形成されていても良い。
安定化材により酸化物超電導積層体の外周を取り囲む構成にしていると、酸化物超電導積層体の外部に水分が存在していても、内部の酸化物超電導層側にまで水分が浸入しないので、水分により酸化物超電導層に劣化を生じない構造を得ることができる。

本発明において、前記保護層上に配置された安定化材が、前記酸化物超電導積層体の外周を取り囲むように延出形成され、前記保護層上に配置された安定化材の一部が下板とされ、該下板上に導電材料からなる上板が配置された構成でも良い。
この構造においても、酸化物超電導積層体を囲んだ安定化材の一部を下板として、更に上板を有しているので、酸化物超電導線材を構成する酸化物超電導積層体の面に垂直な方向へ剥離応力が作用しても、上板と下板が離間する方向に変形することで応力を吸収できる。更に、安定化材により酸化物超電導積層体の外周を取り囲む構成にしていると、酸化物超電導積層体の外部に水分が存在していても、酸化物超電導積層体に形成されている酸化物超電導層に水分が浸入しないので、水分により酸化物超電導層に劣化を生じない構造を得ることができる。

本発明において、前記保護層上に配置された安定化材が、前記酸化物超電導積層体の外周を取り囲むように形成され、前記保護層上の安定化材の外方まで延出形成されて前記保護層上の安定化材に重ねられ、前記保護層上の安定化材が下板とされ、該下板上に延出された安定化材の延出部が上板とされた構成でも良い。
この構造においても、酸化物超電導積層体を囲んだ安定化材の一部を下板として更に上板を有しているので、酸化物超電導線材を構成する酸化物超電導積層体の面に垂直な方向に剥離応力が作用しても、上板と下板が離間する方向に変形することで応力を吸収できる。更に、酸化物超電導積層体の外部に水分が存在していても、酸化物超電導層側に水分が浸入しない構造になっているので、水分により酸化物超電導層に劣化を生じない構造を得ることができる。
本発明において、前記保護層の両側部に酸化物超電導積層体の両側部から基材裏面側まで延出する接合層が形成され、該接合層を介し基材裏面側に第２の安定化材が配置された構成でも良い。
基材裏面側にも第２の安定化材を設けることで保護層上に設けた安定化材と相俟って安定化材の断面積を大きくできるので、酸化物超電導線材を安定化する場合に有利な特徴を有する。

本発明によれば、安定化材が上板と下板とからなる２重構造であるので、超電導線材をコイル化して含浸樹脂で固定した場合などにおいて、冷却時の熱膨張差に起因する応力が酸化物超電導積層体の厚さ方向に剥離応力として作用しても、上板と下板とが離間する方向に変形することで、応力を吸収できる。このため、酸化物超電導積層体の酸化物超電導層の部分とその周囲の層に作用する剥離応力を低減することが可能となり、応力負荷に起因して超電導特性が劣化する現象を抑制できる。

本発明に係る第１実施形態の酸化物超電導線材の横断面図である。 本発明に係る第２実施形態の酸化物超電導線材の横断面図である。 本発明に係る第３実施形態の酸化物超電導線材の横断面図である。 本発明に係る第４実施形態の酸化物超電導線材の横断面図である。 本発明に係る第５実施形態の酸化物超電導線材の横断面図である。 本発明に係る第６実施形態の酸化物超電導線材の横断面図である。 本発明に係る第７実施形態の酸化物超電導線材の横断面図である。 本発明に係る第８実施形態の酸化物超電導線材の横断面図である。 本発明に係る第９実施形態の酸化物超電導線材の横断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る酸化物超電導線材の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る酸化物超電導線材の第１実施形態を模式的に示す横断面図である。
本実施形態の酸化物超電導線材１は、酸化物超電導積層体２の上面側に偏平の矩形パイプ状の安定化材３を半田などの低融点金属からなる接合層４により一体化してなる。
本実施形態の酸化物超電導積層体２は、詳細には、テープ状の基材５の一面上に（図１では上面上に）、中間層６と酸化物超電導層７と保護層８とをこの順に積層してなる。
前記基材５は、可撓性を有する線材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。各種耐熱性金属の中でも、ニッケル合金からなることが好ましい。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）が好適である。基材５の厚さは、通常は、１０〜５００μｍである。また、基材５として、ニッケル合金に集合組織を導入した配向Ｎｉ−Ｗ合金テープ基材等を適用することもできる。

中間層６は、以下に説明する下地層と配向層とキャップ層からなる構造を一例として適用できる。
下地層を設ける場合は、以下に説明する拡散防止層とベッド層の複層構造あるいは、これらのうちどちらか１層からなる構造とすることができるが、下地層は必須ではなく、略しても差し支えない。
下地層として拡散防止層を設ける場合、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）、あるいは、ＧＺＯ（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）等から構成される単層構造あるいは複層構造の層が望ましく、厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。
下地層としてベッド層を設ける場合、ベッド層は、例えば、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）などの希土類酸化物であり、より具体的には、Ｅｒ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３等を例示することができ、これらの材料からなる単層構造あるいは複層構造を採用できる。ベッド層の厚さは例えば１０〜１００ｎｍである。

配向層は、その上方に形成する酸化物超電導層７と格子整合性の良い金属酸化物からなることが好ましい。配向層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_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の金属酸化物を例示できる。配向層は、単層でも良いし、複層構造でも良い。
キャップ層は、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。ＣｅＯ_２のキャップ層の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５０〜５０００ｎｍの範囲とすることができる。

酸化物超電導層７は通常知られている組成の希土類系高温酸化物超電導体からなる薄膜を広く適用することができ、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ（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、具体的には、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ）を例示できる。酸化物超電導層７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。
酸化物超電導層７の上面を覆うように形成されている保護層８は、ＡｇまたはＡｇ合金からなり、その厚さは１〜３０μｍ程度とされている。

安定化材３は、ＣｕやＣｕ合金あるいはＡｇやＡｇ合金などの良導電性の金属材料からなる上板３Ａおよび下板３Ｂと側板３Ｃ、３Ｃとからなる偏平の矩形パイプ形状とされ、その横幅は酸化物超電導積層体２と同程度に形成され、半田などの低融点合金の接合層４を介し保護層８の上面に接合されている。
安定化材３の肉厚は特に限定されず、適宜調整可能であるが、良導電性のＣｕやＣｕ合金から構成される場合、上板３Ａおよび下板３Ｂと側板３Ｃ、３Ｃの個々の厚さを１０〜３００μｍとすることができ、酸化物超電導線材１としてのコイル加工時の取り扱い性を考慮すると、肉厚は２０〜１００μｍの範囲が好ましい。なお、酸化物超電導線材１を超電導限流器に使用する場合は、安定化材３をＣｕ−Ｎｉ等の高抵抗金属材料から構成することが好ましい。
安定化材３をＣｕやＣｕ合金などの良導電性材料から構成した場合、酸化物超電導層７が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、安定化材３が保護層８とともに、酸化物超電導層７の電流を転流させるバイパスとして機能する。

低融点金属からなる接合層４を介して安定化材３と保護層８を電気的および機械的に接続することにより、保護層８と安定化材３との接合が強固となり、接続抵抗が低下するため、酸化物超電導層７を安定化する効果を向上できる。接合層４として半田層を設ける場合にその厚さは、特に限定されず、適宜調整可能であるが、例えば、２〜２０μｍ程度とすることができる。

接合層４として半田層を用いる場合は従来公知の半田より構成することができ、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ系合金などの鉛フリー半田、Ｐｂ−Ｓｎ系合金半田、共晶半田、低温半田などが挙げられ、これらの半田を１種または２種以上組み合わせて使用することができる。これらの中でも、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℃以下の温度で安定化材３と酸化物超電導積層体２を半田付けすることが可能となるので、半田付けの熱によって酸化物超電導層７の特性劣化を抑止できる。

矩形パイプ状の安定化材３は上板３Ａと下板３Ｂとの間に中空部３Ｄが形成されているが、安定化材３の内部に形成されている中空部３Ｄの厚みは特に問わない。中空部３Ｄの厚みは、例えば、上板３Ａと同程度、基材５と同程度でも良く、後述する実施形態のように上板と下板を接触させて中空部３Ｄを限りなく薄く形成しても良い。例えば、上板３Ａと下板３Ｂが接触した状態で上下に配置されていても良い。また、矩形パイプ状の安定化材３の横断面において外周のコーナー部分は所定曲率のアール部３ａが形成されている。
安定化材３が上板３Ａと下板３Ｂと側板３Ｃ、３Ｃからなる構造である場合、図１に示す断面構造のテープ状の酸化物超電導線材１の外周を絶縁テープなどの絶縁層で覆った上に巻き枠等に巻き付け、超電導コイルを構成する場合、酸化物超電導線材１を固定するためにエポキシ樹脂等を含浸させて酸化物超電導線材１を含浸樹脂層により固定する。
安定化材３の外周に形成されているアール部３ａは、上述したように絶縁テープなどの巻き付けにより絶縁層を形成する場合に絶縁テープに張力をかけて巻き付けても絶縁テープを切ってしまうことがない。

テープ状の酸化物超電導線材１を用いて超電導コイルを作製するには、基材５を巻き枠の外周面に沿って基材５を巻き枠の外周面に向くようにして必要層数巻き付けるか、反対に巻き枠の外周面に安定化材３を巻き枠の外周面に向くようにして必要層数巻き付けることで超電導コイルを作製できる。酸化物超電導線材１を巻き枠の外周に必要な巻き数で巻回した後、巻き付けた酸化物超電導線材１を覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて酸化物超電導線材１を固定する。このように酸化物超電導コイルは、含浸樹脂により周囲を覆われた状態で冷媒や冷却装置により冷却されるので、常温から低温に冷却される段階で熱膨張係数の大きい含浸樹脂により超電導線材１に応力が作用する。

含浸樹脂による応力が作用すると、酸化物超電導積層体２に層間剥離を生じさせる方向に応力が作用するが、この応力に対し、安定化材３の内部に中空部３Ｄが形成され、上板３Ａと下板３Ｂを離間させる方向に上板３Ａが変形できるので、上板３Ａが下板３Ｂと離間するように変形することで上述の応力を吸収できる。このため、酸化物超電導線材１に設けられている酸化物超電導層７に作用する応力は抑制されるか解消されるので、酸化物超電導層７の超電導特性が劣化することがない。

図１に示す断面構造の酸化物超電導線材１にあっては、安定化材３が基材５と同等の幅であり、偏平であって、上板３Ａの表面は基材５と平行に配置されているので、酸化物超電導線材１の全体として矩形断面形状を維持することができ、巻き枠などに多層巻きしてコイル化する場合に巻き乱れを生じ難い断面形状になっている。

＜第２実施形態＞
図２は本発明に係る酸化物超電導線材の第２実施形態の断面構造を示すもので、本実施形態の酸化物超電導線材１Ａは、酸化物超電導積層体２の外周をめっき層からなる安定化層９で覆い、その上面側に偏平の矩形パイプ状の安定化材３を半田などの低融点金属からなる接合層４により一体化してなる。
第２実施形態の構造において先の第１実施形態の構造と同等の構成要素には同一の符号を付してそれら要素の説明は省略する。
第２実施形態の構造において酸化物超電導積層体２の外周にはＣｕあるいはＣｕ合金などの良導電性の金属材料のめっきからなる安定化層９が被覆されている。めっきからなる安定化層９は、一例として酸化物超電導積層体２において銀からなる保護層８をスパッタ法などの成膜法により形成する場合、酸化物超電導層７の表面に加えて基材５の側面や裏面側にもスパッタ粒子を飛ばしてＡｇの薄い下地層を形成しておき、このＡｇの下地層を元にめっき処理することで基材５が難めっき材の場合であっても支障なくめっき層を形成できる。
例えば、酸化物超電導積層体２の全体を硫酸銅水溶液などのめっき浴に浸漬し、電気めっきによりＡｇの保護層上と基材１の側面側と裏面側に銅の安定化層を形成できる。このめっき処理により安定化層９を形成できる。ここで形成するめっき層からなる安定化層９は先の第１実施形態の安定化材３の上板３Ａ、下板３Ｂと同等程度の厚さに形成できるが、例えば、１０〜３００μｍの範囲、線材としての取り扱い性と可撓性などを考慮すると、より好ましくは２０〜１００μｍの範囲を選択できる。なお、めっき層を厚く形成しすぎると線材の撓曲性が損なわれる可能性があることを考慮すると、安定化層９は安定化材３の肉厚よりも薄い層として構成することが好ましい。

第２実施形態の酸化物超電導線材１Ａは、上述のめっき層からなる安定化層９に加えて第１実施形態の安定化材３と同等の安定化材３を備えているので、超電導コイルを構成した場合の応力緩和効果については第１実施形態の酸化物超電導線材１と同等の作用効果を得ることができる。また、安定化材３に加えて良導電材料製の安定化層９を備えているので、酸化物超電導層７が超電導状態から常電導状態に遷移しようとしたとき、安定化材３と安定化層９が保護層８とともに、酸化物超電導層７の電流を転流させるバイパスとして機能する。第２実施形態の場合、安定化材３に加えて安定化層９を設けているので、電流を分流するバイパスとしての導体断面積を大きくできるので、超電導線材１の安定化の面においては第１実施形態の構造よりも有利な構造となる。

一方、第２実施形態の如く酸化物超電導積層体２の外周をめっき層からなる安定化層９で覆った構造とするならば、酸化物超電導積層体２の周囲に水分が存在していてもその水分が酸化物超電導線材１の内部の酸化物超電導層７側にまで到達することがない。
酸化物超電導層７を構成する希土類系の酸化物超電導体の中には水分の存在により劣化するものがあるので、酸化物超電導積層体２の外周を安定化層９で覆った構造の酸化物超電導線材１Ａでは水分の浸入を抑制して水分の存在による超電導特性の劣化を生じることがない利点を有する。

＜第３実施形態＞
図３は本発明に係る酸化物超電導線材の第３実施形態の断面構造を示すもので、本実施形態の酸化物超電導線材１Ｂは、酸化物超電導積層体２の上面側に、偏平の矩形パイプを潰した形状の安定化材１３を半田などの低融点金属からなる接合層４により一体化してなる。
安定化材１３は、第１実施形態で用いた安定化材１３と同等の材料と構成からなり、異なる点は、上板１３Ａと下板１３Ｂが上下に接触するように重ねられ、それらの幅方向両端が側壁１３Ｃで接続一体化されている点である。即ち、第１実施形態の構造において設けられていた中空部３Ｄが限りなく薄くなって上板１３Ａと下板１３Ｂが接触された偏平型の安定化材１３とした点に特徴を有する。その他の形状や大きさ、各部の厚さ等は第１実施形態の安定化材３と同等構造とされている。本実施形態の安定化材１３を保護層８に一体化する接合層４についても第１実施形態と同等の接合層４を用いることができる。

第３実施形態の安定化材１３は、上板１３Ａと下板１３Ｂとが重ねられてはいるが、これらが接着されているわけではなく、単に上下に重ねられている。このため、酸化物超電導線材１Ｂに対しその厚さ方向に応力が作用して上板１３Ａと下板１３Ｂを引き剥がす方向に剥離応力が作用した場合、上板１３Ａが下板１３Ｂと離間する方向に撓むことによって上板１３Ａが下板１３Ｂから離間できるように構成されている。
この第３実施形態の酸化物超電導線材１Ｂを用いて超電導コイルを形成し、含浸樹脂により固めた場合、冷却に応じて酸化物超電導線材１Ｂの厚さ方向に応力が作用した場合、上板１３Ａと下板１３Ｂとが離間し、相互に多少のずれを許容するので、前述の剥離応力を吸収し、酸化物超電導層７に剥離応力が直に作用することを抑制できる。
このため、酸化物超電導線材１Ｂは、超電導コイルを構成した後、冷却した場合において、酸化物超電導層７に直接作用する剥離応力を少なくすることで超電導特性の劣化を防止できる。

＜第４実施形態＞
図４は本発明に係る酸化物超電導線材の第４実施形態の断面構造を示すもので、本実施形態の酸化物超電導線材１Ｃは、安定化層９で外周を覆った酸化物超電導積層体２の上面側に、偏平の矩形パイプを潰した形状の安定化材１３を半田などの低融点金属からなる接合層４により一体化してなる。
安定化材１３は、上述の第３実施形態で用いた安定化材１３と同等のものであり、酸化物超電導積層体２の外周を覆っている安定化層９は先の第２実施形態で用いた安定化層９と同等のものである。
この第４実施形態の酸化物超電導線材１Ｃを用いて超電導コイルを形成し、含浸樹脂により固めた場合、冷却に応じて酸化物超電導線材１Ｃの厚さ方向に剥離応力が作用した場合、先の第３実施形態と同等の作用効果を得ることができる。また、安定化層９を備えているので、酸化物超電導層７が常電導状態へ転移しようとした時に電流のバイパスとなる作用効果に加え、酸化物超電導線材１Ｂが水分による劣化を生じることがない特徴において先の第３実施形態の構造と同等の作用効果を得ることができる。

＜第５実施形態＞
図５は本発明に係る酸化物超電導線材の第５実施形態の断面構造を示すもので、本実施形態の酸化物超電導線材１Ｄは、酸化物超電導積層体２の上面側に、良電導材料製のテープ状の上板２３Ａと下板２３Ｂとからなり、上板２３Ａと下板２３Ｂの幅方向両端縁部分を半田などの接合材２２で一体化した偏平の矩形パイプ状の安定化材２３を半田などの低融点金属からなる接合層４により一体化してなる。上板２３Ａと下板２３Ｂの間には中空部２３Ｄが形成されている。また、この実施形態では上板２３Ａと下板２３Ｂとを接合する接合材２２の部分が安定化材２３の側壁を兼ねる構成とされている。
第５実施形態の構造において先の第１実施形態の構造と同等の構成要素には同一の符号を付してそれら要素の説明は省略する。

偏平な矩形パイプ状の安定化材２３は上板２３Ａと下板２３Ｂとの間に中空部２３Ｄが形成されているが、安定化材２３の内部に形成されている中空部２３Ｄの厚みは特に問わない。中空部２３Ｄの厚みは、例えば、上板２３Ａと同程度、基材５と同程度でも良く、上板と下板を接触させて中空部２３Ｄを限りなく薄くしても良い。例えば、上板２３Ａと下板２３Ｂが接触した状態で接合材２２により接合されていても良い。
安定化材２３が上板２３Ａと下板２３Ｂからなる構造である場合、図５に示す構造のテープ状の酸化物超電導線材１Ｄを絶縁層で覆った上に巻き枠等に巻き付け、超電導コイルを構成する場合、酸化物超電導線材１Ｄを固定するためにエポキシ樹脂等を含浸させて酸化物超電導線材１Ｄを固定する。

テープ状の酸化物超電導線材１Ｄを用いて超電導コイルを作製するには、先の実施形態の場合と同様に、酸化物超電導線材１Ｄを必要層数巻き付けることで超電導コイルを作製できる。酸化物超電導線材１Ｄを巻き枠の外周に必要な巻き数で巻回した後、巻き付けた酸化物超電導線材１Ｄを覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて酸化物超電導線材１Ｄを固定する。このように酸化物超電導コイルは、含浸樹脂により周囲を覆われた状態で冷媒や冷却装置により冷却されるので、常温から低温に冷却される段階で熱膨張係数の大きい含浸樹脂により超電導線材１Ｄに応力が作用する。
含浸樹脂による応力が作用すると、酸化物超電導線材１Ｄの厚さ方向に剥離応力が作用するが、この剥離応力に対し、安定化材２３の内部に中空部２３Ｄが形成され、上板２３Ａと下板２３Ｂを離間させる方向に上板２３Ａが変形できるので、上板２３Ａが下板２３Ｂ側に離間するように変形することで上述の剥離応力を吸収できる。このため、酸化物超電導線材１Ｄに設けられている酸化物超電導層７に作用する応力は抑制されるか解消されるので、酸化物超電導層７の超電導特性が劣化することがない。また、樹脂を含浸させる場合に真空含浸を行うことが通常であり、含浸樹脂は酸化物超電導線材１Ｄを覆う絶縁層の隙間から染み込むおそれがあるが、上板２３Ａと下板２３Ｂの幅方向両端側は接合材２２により閉じられ、機械的にも充分な強度で接合されているので、中空部２３Ｄ内に樹脂が浸入するおそれはない。
その他の作用効果についても第１実施形態の酸化物超電導線材１と同等の作用効果を得ることができる。

＜第６実施形態＞
図６は本発明に係る酸化物超電導線材の第６実施形態の断面構造を示すもので、本実施形態の酸化物超電導線材１Ｅは、酸化物超電導積層体２の上面側に、良電導材料製のテープを２つ折りに折り曲げて形成した上板３３Ａと下板３３Ｂとからなり、上板３３Ａと下板３３Ｂの重ね合わせ先端側の端縁部分を半田などの接合材３２で一体化した偏平の矩形パイプ状の安定化材３３を半田などの低融点金属からなる接合層４により一体化してなる。上板３３Ａと下板３３Ｂの間には中空部３３Ｄが形成されている。また、この実施形態ではテープを２つ折りに折り曲げた部分と、上板３３Ａおよび下板３３Ｂとを接合する接合材３２の部分が安定化材３３の側壁を兼ねる構成とされている。
第６実施形態の構造において先の第１実施形態の構造と同等の構成要素には同一の符号を付してそれら要素の説明は省略する。

偏平な矩形パイプ状の安定化材３３は上板３３Ａと下板３３Ｂとの間に中空部３３Ｄが形成されているが、安定化材３３の内部に形成されている中空部３３Ｄの厚みは特に問わない。中空部３３Ｄの厚みは、例えば、上板３３Ａと同程度、基材５と同程度でも良く、上板と下板を接触させて中空部３３Ｄを限りなく薄くしても良い。例えば、上板３３Ａと下板３３Ｂが接触した状態で接合材３２により接合されていても良い。
安定化材３３が上板３３Ａと下板３３Ｂからなる構造である場合、図６に示す構造のテープ状の酸化物超電導線材１Ｅを絶縁層で覆った上に巻き枠等に巻き付け、超電導コイルを構成する場合、酸化物超電導線材１Ｅを固定するためにエポキシ樹脂等を含浸させて酸化物超電導線材１Ｅを固定する。

テープ状の酸化物超電導線材１Ｅを用いて超電導コイルを作製するには、先の実施形態の場合と同様に、酸化物超電導線材１Ｅを必要層数巻き付けることで超電導コイルを作製できる。酸化物超電導線材１Ｅを巻き枠の外周に必要な巻き数で巻回した後、巻き付けた酸化物超電導線材１Ｅを覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて酸化物超電導線材１Ｅを固定する。このように酸化物超電導コイルは、含浸樹脂により周囲を覆われた状態で冷媒や冷却装置により冷却されるので、常温から低温に冷却される段階で熱膨張係数の大きい含浸樹脂により超電導線材１Ｅに圧縮応力が作用する。
含浸樹脂による応力が作用すると、酸化物超電導線材１Ｅの厚さ方向に剥離応力が作用するが、この剥離応力に対し、安定化材３３の内部に中空部３３Ｄが形成され、上板３３Ａと下板３３Ｂを離間させる方向に上板３３Ａが変形できるので、上板３３Ａが下板３３Ｂから離間するように変形することで上述の応力を吸収できる。このため、酸化物超電導線材１Ｅに設けられている酸化物超電導層７に作用する応力は抑制されるか解消されるので、酸化物超電導層７の超電導特性が劣化することがない。また、樹脂を含浸させる場合に真空含浸を行うことが通常であり、含浸樹脂は酸化物超電導線材１Ｅを覆う絶縁層の隙間から染み込むおそれがあるが、上板３３Ａと下板３３Ｂの幅方向一端側は接合材３２により閉じられ、機械的にも充分な強度で接合されているので、中空部３３Ｄ内に樹脂が浸入するおそれはない。
その他の作用効果についても第１実施形態の酸化物超電導線材１と同等の作用効果を得ることができる。

＜第７実施形態＞
図７は本発明に係る酸化物超電導線材の第７実施形態の断面構造を示すもので、本実施形態の酸化物超電導線材１Ｆは、酸化物超電導積層体２の外周をめっき層からなる安定化層９で覆い、その上面側に平板状の上板４０Ａの両端縁を半田などの低融点金属からなる接合材４２により一体化してなる。
第７実施形態の構造において先の第２実施形態の構造と同等の構成要素には同一の符号を付してそれら要素の説明は省略する。
第７実施形態の構造において酸化物超電導積層体２の外周には安定化層９が被覆されている。安定化層９については先の第２実施形態の安定化層９と同等のものである。
第７実施形態の構造において、保護層８の上方に積層された安定化層９の上部側が下板４０Ｂとされ、上板４０Ａと下板４０Ｂとが上下に配置されることで安定化材４０が構成されている。この実施形態の構造では安定化層９の上部側が下板４０Ｂとされて安定化材４０の一部を兼ねた構造とされている。

テープ状の酸化物超電導線材１Ｆを用いて超電導コイルを作製するには、先の実施形態の場合と同様に、酸化物超電導線材１Ｆを必要層数巻き付けることで超電導コイルを作製できる。酸化物超電導線材１Ｆを巻き枠の外周に必要な巻き数で巻回した後、巻き付けた酸化物超電導線材１Ｆを覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて酸化物超電導線材１Ｆを固定する。このように酸化物超電導コイルは、含浸樹脂により周囲を覆われた状態で冷媒や冷却装置により冷却されるので、常温から低温に冷却される段階で熱膨張係数の大きい含浸樹脂により超電導線材１Ｆに応力が作用する。
含浸樹脂による応力が作用すると、酸化物超電導線材１Ｆの厚さ方向に剥離応力が作用するが、この剥離応力に対し、安定化材４０の内部に中空部４０Ｄが形成されていて、上板４０Ａと下板４０Ｂを離間する方向に上板４０Ａが変形できるので、上述の応力を吸収できる。このため、酸化物超電導線材１Ｆに設けられている酸化物超電導層７に作用する応力は抑制されるか解消されるので、酸化物超電導層７の超電導特性が劣化することがない。また、上板４０Ａと下板４０Ｂの幅方向両端部を側壁を兼ねる接合材４２で閉じているので、中空部４０への含浸樹脂の浸入を防止できる効果についても先の実施形態と同様である。
その他の作用効果についても先の実施形態の酸化物超電導線材と同等の作用効果を得ることができる。

＜第８実施形態＞
図８は本発明に係る酸化物超電導線材の第８実施形態の断面構造を示すもので、本実施形態の酸化物超電導線材１Ｇは、酸化物超電導積層体２の外周を１周、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの良導電性金属材料からなる安定化材４５で覆い、安定化材４５の一部を延出させて折返し部からなる上板４６として安定化材４５の更に外側に１層延在させてなる。安定化材４５は、酸化物超電導積層体２の外周を１周覆った折返し金属テープからなり、酸化物超電導積層体２の保護層８上に延在された安定化材４５の表面部４５Ａは半田等の低融点金属の接合層４７により保護層８上に接合されている。上板４６は安定化材４５の表面部４５Ａを覆うように安定化材４５の端縁側から延在され、上板４６の先端縁４６ａは半田などの低融点金属の導電材料からなる接合材４８により安定化材４５の端縁部４５ａに接合されている。
安定化材４５は、一例として、酸化物超電導積層体２の上面側に一体化された表面部４５Ａと、酸化物超電導積層体２の一側面を覆う側面部４５Ｂと、酸化物超電導積層体２の裏面側を覆う裏面部４５Ｃと、酸化物超電導積層体２の他側面を覆う側面部４５Ｄと、側面部４５Ｄの上部から延出されて表面部４５Ａを覆う折返し部からなる上板４６の全てを１枚の金属テープの折返し構造から得ることができる。この例の安定化材４５において上板４６と表面部４５Ａとが上下に中空部４５Ｅをあけて配置されているので、安定化材４５の一部である表面部４５Ａが下板とされている。

第８実施形態の構造において先の実施形態の構造と同等の構成要素には同一の符号を付してそれら要素の説明は省略する。
第８実施形態の構造において酸化物超電導積層体２の外周に安定化材４５が被覆されているが、安定化材４５については先の第６実施形態の安定化材３３と同等の材料から構成することができる。

テープ状の酸化物超電導線材１Ｇを用いて超電導コイルを作製するには、先の実施形態の場合と同様に、酸化物超電導線材１Ｇを必要層数巻き付けることで超電導コイルを作製できる。酸化物超電導線材１Ｇを巻き枠の外周に必要な巻き数で巻回した後、巻き付けた酸化物超電導線材１Ｇを覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて酸化物超電導線材１Ｇを固定する。このように酸化物超電導コイルは、含浸樹脂により周囲を覆われた状態で冷媒や冷却装置により冷却されるので、常温から低温に冷却される段階で熱膨張係数の大きい含浸樹脂により超電導線材１Ｇに応力が作用する。
含浸樹脂による応力が作用すると、酸化物超電導線材１Ｇの厚さ方向に剥離応力が作用するが、この剥離応力に対し、安定化材４５の上板４６と表面部（下板）４５Ａが離間する方向に変形できるので、酸化物超電導コイルに作用しようとする上述の剥離応力を吸収できる。このため、酸化物超電導線材１Ｇに設けられている酸化物超電導層７に作用する応力は抑制されるか解消されるので、酸化物超電導層７の超電導特性が劣化することがない。また、上板４６と下板４５Ａの幅方向一端部を接合材４８で閉じているので、中空部４５Ｅへの含浸樹脂の浸入を防止できる効果についても先の実施形態と同様である。
その他の作用効果についても先の実施形態の酸化物超電導線材と同等の作用効果を得ることができる。

＜第９実施形態＞
図９は本発明に係る酸化物超電導線材の第９実施形態の断面構造を示すもので、本実施形態の酸化物超電導線材１Ｈは、酸化物超電導積層体２の上面側に、良電導材料製のテープ状の上板５３Ａと下板５３Ｂとからなり、上板５３Ａと下板５３Ｂの幅方向両端縁部分を半田などの低融点金属からなる接合材５２で一体化した偏平の矩形パイプ状の安定化材５３を半田などの低融点金属からなる接合層５４により一体化してなる。上板５３Ａと下板５３Ｂの間には中空部５３Ｄが形成されている。また、本実施形態では上板５３Ａと下板５３Ｂとを接合する接合材５２の部分が安定化材５３の側壁を兼ねる構成とされている。
第９実施形態の構造において先の第１実施形態の構造と同等の構成要素には同一の符号を付してそれら要素の説明は省略する。
本実施形態において特徴的な点は、酸化物超電導積層体２の両側面側に低融点金属からなる導電層５７が形成され、上板５３Ａと下板５３Ｂが酸化物超電導積層体２よりも若干幅広に形成され、下板５３Ｂの幅方向両端下面側において接合層５４と導電層５７が接続され、酸化物超電導積層体２の裏面側に半田等の低融点金属からなる接合層５８を介して導電材料からなる板状の第２安定化材５９が接合された点である。

偏平な矩形パイプ状の安定化材５３は上板５３Ａと下板５３Ｂとの間に中空部５３Ｄが形成されているが、安定化材５３の内部に形成されている中空部５３Ｄの厚みは特に問わない。中空部５３Ｄの厚みは、例えば、上板５３Ａと同程度、基材５と同程度でも良く、上板と下板を接触させて中空部５３Ｄを限りなく小さくしても良い。例えば、上板５３Ａと下板５３Ｂを接触させた状態で接合材５２により上板５３Ａと下板５３Ｂが接合されていても良い。
安定化材５３が上板５３Ａと下板５３Ｂからなる構造である場合、図９に示す構造のテープ状の酸化物超電導線材１Ｈを絶縁層で覆った上に巻き枠等に巻き付け、超電導コイルを構成する場合、酸化物超電導線材１Ｈを固定するためにエポキシ樹脂等を含浸させて酸化物超電導線材１Ｈを固定する。

酸化物超電導線材１Ｈを巻き枠の外周に必要な巻き数で巻回した後、巻き付けた酸化物超電導線材１Ｈを覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて酸化物超電導線材１Ｈを固定する。このように酸化物超電導コイルは、含浸樹脂により周囲を覆われた状態で冷媒や冷却装置により冷却されるので、常温から低温に冷却される段階で熱膨張係数の大きい含浸樹脂により超電導線材１Ｈに応力が作用する。
含浸樹脂による応力が作用すると、酸化物超電導線材１Ｈの厚さ方向に剥離応力が作用するが、これらの応力に対し、安定化材５３の内部に中空部５３Ｄが形成され、上板５３Ａと下板５３Ｂを離間させる方向に上板５３Ａが変形できるので、上述の剥離応力を吸収できる。このため、酸化物超電導線材１Ｈに設けられている酸化物超電導層７に作用する応力は抑制されるか解消されるので、酸化物超電導層７の超電導特性が劣化することがない。また、上板５３Ａと下板５３Ｂの幅方向両端部を接合材５２で閉じているので、中空部５３Ｄへの含浸樹脂の浸入を防止できる効果についても先の実施形態と同様である。
その他の作用効果についても先の実施形態の酸化物超電導線材と同等の作用効果を得ることができる。

本実施形態の構造では、保護層８に対し下板５３Ｂと上板５３Ａを電気的に接続した上に、接合層５４と導電層５７と接合層５８を介し第２安定化材５９も電気的に接続しているので、酸化物超電導層７が超電導状態から常電導状態に転移しようとした場合の電流のバイパスとなる導体の断面積を大きくし、酸化物超電導層７を安定化する上で有利としている。

ハステロイＣ−２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、長さ１０ｍのテープ状の基材上に、Ａｌ_２Ｏ_３の拡散防止層（ａ−Ａｌ_２Ｏ_３の厚さ８０ｎｍ）と、Ｙ_２Ｏ_３のベッド層（ａ−Ｙ_２Ｏ_３の厚さ３０ｎｍ）と、ＭｇＯの中間層（ＩＢＡＤ−ＭｇＯの厚さ１０ｎｍ）と、ＣｅＯ_２のキャップ層（厚さ３００ｎｍ）とＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘなる組成の酸化物超電導層とＡｇの保護層（厚さ１０μｍ）を積層した酸化物超電導積層体を用意した。
この酸化物超電導積層体に対し、幅１０ｍｍ、肉厚１００μｍ、上板と下板の間の中空部の厚み５０μｍの偏平管型のＣｕパイプを保護層上方に位置するように厚さ５μｍの半田層を介し半田付けして図２に示す断面形状の酸化物超電導線材を得た。

この酸化物超電導線材を外径１００ｍｍの巻胴に巻回してコイルを構成した後、液体窒素に浸漬して室温から液体窒素温度（７７Ｋ）まで冷却し、コイルの臨界電流、ｎ値を測定した。
更に、エポキシ樹脂を含浸させて樹脂含浸型の超電導コイルを作製した。この超電導コイルを液体窒素に浸漬して室温から液体窒素温度（７７Ｋ）まで冷却し、超電導コイルの臨界電流、ｎ値を測定し、この超電導コイルを液体窒素から取り出して室温に戻す処理を１０サイクル行う、熱サイクル試験を行った後、再度液体窒素に浸漬して冷却し、超電導コイルの臨界電流、ｎ値を測定した。

次に、先の酸化物超電導積層体に対し、Ｃｕパイプの代わりに、厚さ１００μｍのＣｕのテープを厚さ５μｍの半田層を介し半田付けして保護層に密着したＣｕテープからなる安定化材付きの酸化物超電導線材を作製し、この酸化物超電導線材を先の例と同様、外径１００ｍｍの巻胴に巻回してコイルを構成した後、液体窒素に浸漬して冷却し、コイルの臨界電流、ｎ値を測定した。更に、このコイルにエポキシ樹脂を含浸して先の例と同様の樹脂含浸型超電導コイルを作製し、同等の条件で臨界電流、ｎ値を測定し、熱サイクル試験後の各測定も同等条件で行った。
それらの結果を以下の表１に併記する。

表１に示すｎ値は、超電導体のＩｃ近傍での電流−電圧特性をＶ∝Ｉ＾ｎと近似した場合のｎを示す。この例の場合、縦軸をｌｏｇＶ、横軸をｌｏｇＩとして電流−電圧特性を計測し、Ｉｃ付近の領域での電圧の立ち上がり特性から傾きｎを算出した。
表１に示す結果のようにＩｃ値がそれほど変化しなくても、ｎ値が下がることは、超電導特性が劣化したことを意味する。また、Ｃｕテープを用いた試料の熱サイクル後はＩｃが大幅に低下しているので、熱サイクルの影響は極めて大きいが、Ｃｕパイプを用いた試料のＩｃとｎ値はほとんど変化が見られなかった。
この結果から、Ｃｕパイプ状の安定化材を用いることが応力緩和に寄与したと思われる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ…酸化物超電導線材、２…酸化物超電導積層体、３、１３、２３、３３、４０、４５、５３…安定化材、３Ａ、１３Ａ、２３Ａ、３３Ａ、４０Ａ、４６…上板、３Ｂ、１３Ｂ、２３Ｂ、３３Ｂ、４０Ｂ、４５Ａ…下板、３Ｃ、１３Ｃ…側板、３Ｄ、２３Ｄ、３３Ｄ、４０Ｄ、４５Ｅ、５３Ｄ…中空部、４、５４、５８…接合層、５…基材、６…中間層、７…酸化物超電導層、８…保護層、９…安定化層、２２、３２、４２、４８、５２…接合材。

Claims (8)

1. テープ状の基材の一方の面上に中間層と酸化物超電導層と保護層をこの順に積層して酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体の前記保護層上に導電材料からなる安定化材が配置された酸化物超電導線材であって、
   前記安定化材が上板と下板を備え、該上板と下板が長手方向に渡って幅方向両端部で電気的かつ機械的に接続され、前記上板と下板との間に中空部が形成されるか、前記上板と下板とが重ね合わされたことを特徴とする酸化物超電導線材。
2. 前記安定化材が偏平型の中空パイプからなることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導線材。
3. 前記安定化材が、上板と下板を重ね合わせ、それらの幅方向両端部を導電性の接合材で一体化してなることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導線材。
4. 前記安定化材が１枚の金属板を２つ折りして重ね合わせ、前記金属板の重ね合わせ先端縁側を接合材で一体化してなることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導線材。
5. 前記保護層上に配置された安定化材が、前記酸化物超電導積層体の外周を取り囲むように形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸化物超電導線材。
6. 前記保護層上に配置された安定化材が、前記酸化物超電導積層体の外周を取り囲むように延出形成され、前記保護層上に配置された安定化材の一部が下板とされ、該下板上に導電材料からなる上板が配置されたことを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導線材。
7. 前記保護層上に配置された安定化材が、前記酸化物超電導積層体の外周を取り囲むように形成され、前記保護層上の安定化材の外方まで延出形成されて前記保護層上の安定化材に重ねられ、前記保護層上の安定化材が下板とされ、該下板上に延出された安定化材の延出部が上板とされたことを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導線材。
8. 前記酸化物超電導積層体の上面側に前記安定化材が前記酸化物超電導積層体の幅よりも幅広に形成されて接合層を介して配置され、基材裏面側に第２の安定化材が前記酸化物超電導積層体の幅よりも幅広に形成されて接合層を介して配置され、前記酸化物超電導積層
   体の両側面に導電層が形成され、前記安定化材と前記第２の安定化材が前記接合層および前記導電層を介して接続されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸化物超電導線材。

Images