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WO2017057064A1 - 高温超電導導体、高温超電導コイル及び高温超電導コイルの接続構造 - Google Patents

高温超電導導体、高温超電導コイル及び高温超電導コイルの接続構造 Download PDF

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Publication number
WO2017057064A1
WO2017057064A1 PCT/JP2016/077464 JP2016077464W WO2017057064A1 WO 2017057064 A1 WO2017057064 A1 WO 2017057064A1 JP 2016077464 W JP2016077464 W JP 2016077464W WO 2017057064 A1 WO2017057064 A1 WO 2017057064A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature superconducting
thin film
conductor
layer
superconducting conductor
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/077464
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
泰造 戸坂
寛史 宮崎
大谷　安見
貞憲 岩井
茂貴 高山
賢司 田崎
圭 小柳
Original Assignee
株式会社東芝
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社東芝 filed Critical 株式会社東芝
Priority to US15/761,530 priority Critical patent/US10886041B2/en
Publication of WO2017057064A1 publication Critical patent/WO2017057064A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • H01B12/08—Stranded or braided wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/62—Connections between conductors of different materials; Connections between or with aluminium or steel-core aluminium conductors
    • H01R4/625—Soldered or welded connections
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/20—Permanent superconducting devices
    • H10N60/203—Permanent superconducting devices comprising high-Tc ceramic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/80—Constructional details
    • H10N60/81—Containers; Mountings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a high-temperature superconducting conductor having a high-temperature superconducting layer, a high-temperature superconducting coil provided with the high-temperature superconducting conductor, and a connection structure of the high-temperature superconducting coil.
  • the high-temperature superconducting thin film wire includes a rare earth metal (Rear Earth; RE) such as yttrium (Y) or gadolinium (Gd), and has a composition represented by (RE) Ba 2 Cu 3 O 7 Is made into a wire.
  • RE rare earth metal
  • Y yttrium
  • Gd gadolinium
  • a thin film layer of about several ⁇ m in which a crystal such as CeO 2 or MgO, which is called an intermediate layer, is biaxially oriented is laminated on a metal substrate having a thickness of about 100 ⁇ m, and the crystal is biaxially formed thereon. It has a structure in which oriented high-temperature superconducting layers having a thickness of about several ⁇ m are laminated.
  • a protective layer such as silver is applied to the surface of the high-temperature superconducting layer, and a stabilizing layer such as copper is formed on the outer side to bypass the current when the normal conducting transition occurs. It is common.
  • Such a thin film wire is characterized by a large current capacity under a high magnetic field and a good stress resistance in the longitudinal direction. Therefore, it is expected that a high-current superconducting coil having a high current density and high stress necessary for generating a high magnetic field can be realized, and is applied to an MRI magnet, a single crystal pulling device magnet, an accelerator magnet, etc. Development is underway.
  • Thin film wire has a high allowable stress when a mechanical load is applied in the longitudinal direction, but extremely weak stress is applied to the direction in which the laminated intermediate layer, high-temperature superconducting layer, etc. are peeled off (peeling direction). It is known that high temperature superconducting layers are destroyed. For example, when a thin film wire is wound and impregnated with resin, a force in the peeling direction acts on the thin film wire due to thermal stress during cooling, and various countermeasures have been proposed.
  • another member such as a structure in which the outer surface of the thin film wire is covered with a cover member made of metal tape, or two thin film wires are superconducting
  • a structure in which two layers of thin film wires are connected on the metal substrate side and covered with a conductive structure is disclosed.
  • a reinforcing tape wire is arranged so as to surround the thin film wire, a structure in which the reinforcing tape wire and the thin film wire are separated, a structure in which a stabilization layer (material) having a hollow portion is joined to the thin film wire, and a thin film wire
  • a structure is disclosed in which is sealed with a sheet of copper or the like.
  • a structure that prevents the force in the peeling direction from acting on the high-temperature superconducting layer for example, a structure that prevents the stress in the peeling direction from acting by providing a release material around the wire, and reinforcement with a thin film wire
  • a structure is disclosed in which a plate is surrounded and restrained by an insulating tape and a release material is provided on the surface where the thin film wire and the reinforcing plate are in sliding contact, and a structure in which the thin film wire and the release tape are wound together.
  • JP 2012-169237 A Special table 2003-50587 gazette Special table 2009-503794 gazette JP 2011-3494 A JP 2013-232297 A Special table 2003-505848 gazette JP 2008-244249 A JP 2011-113933 A JP 2012-33947 A
  • the peeling direction force acting on the high temperature superconducting layer from the outside is reinforced with another member, the peeling direction force acting on the high temperature superconducting layer cannot be completely zero, and the high temperature superconducting layer is damaged. There is a fear.
  • non-insulated coil as a protection measure for high-temperature superconducting coils in the case of a method in which a release material is arranged around a thin film wire or a structure in which the thin film wire is constrained by an insulating tape.
  • the non-insulated coil is designed to reduce the current at the part that has been transferred to normal conduction by electrically connecting adjacent winding turns. If insulated, the function as a non-insulated coil is lost.
  • the object of the present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and can prevent damage to the high-temperature superconducting layer against a mechanical load to ensure reliability and ensure high critical current density. It is to provide a superconducting conductor.
  • an object of the present invention is to provide a high-temperature superconducting coil that can satisfactorily ensure superconducting characteristics against a mechanical load generated in accordance with a manufacturing process or use situation.
  • an object of the present invention is to provide a high temperature superconducting coil connection structure that can satisfactorily connect a high temperature superconducting conductor of a high temperature superconducting coil and a metal conductor with a low electrical resistance value.
  • a laminated body is formed by laminating a high-temperature superconducting layer on one side of a flexible and tape-shaped metal substrate via an intermediate layer, and a protective layer is formed around the laminated body.
  • a thin film wire is formed by providing a stabilization layer, and a plurality of the thin film wires are arranged in the thickness direction, and the plurality of thin film wires are arranged on the outermost side.
  • the thin film wire is positioned with the surface on the metal substrate side facing outward, the surface on the high-temperature superconducting layer side is held in a non-adhered state with the opposing surface, and both ends in the width direction are longitudinally conductive. It is characterized by being connected over the whole area.
  • the high-temperature superconducting coil according to the present invention is characterized in that the high-temperature superconducting conductor according to the present invention is wound around a winding frame.
  • connection structure of the high-temperature superconducting coil according to the present invention is a silver sheath wire in which the longitudinal ends of the high-temperature superconducting conductor constituting the high-temperature superconducting coil in the invention are configured by mixing high-temperature superconducting filaments in a silver matrix. It is configured to be connected to a metal conductor via a wire.
  • the high-temperature superconducting conductor in which a plurality of thin-film wires are arranged in the thickness direction is positioned such that the thin-film wire arranged on the outermost side faces the metal substrate side outward, and the thin-film wire
  • the surface on the high-temperature superconducting layer side is configured to be held in a non-adhered state with the opposing surface. For this reason, when a mechanical load acts on the high-temperature superconducting conductor from the outside, it can be suppressed that this load acts on the high-temperature superconducting layer of the thin film wire as a force in the peeling direction.
  • the high-temperature superconducting conductor in which a plurality of thin film wires are arranged in the thickness direction is configured such that both ends in the width direction of the thin film wires are coupled in the longitudinal direction in a conductive state. Therefore, the ratio of members other than the thin film wire is small in the transverse area perpendicular to the longitudinal direction of the high-temperature superconducting conductor. As a result, it is possible to provide a high-temperature superconducting conductor that can be satisfactorily secured without reducing the critical current density of the high-temperature superconducting conductor.
  • connection length is substantially increased, so that the high-temperature superconducting conductor and the metal conductor of the high-temperature superconducting coil are connected.
  • a connection structure of a high-temperature superconducting coil that can be connected well with a low electric resistance value can be provided.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a current flow of the high-temperature superconducting conductor of FIG. 1.
  • the cross-sectional view which shows the 1st modification of the high-temperature superconducting conductor of FIG.
  • the high temperature superconducting coil which concerns on one Embodiment which concerns on this invention is shown, (A) is whole sectional drawing, (B) is an expanded sectional view which expands and shows the A section of FIG. 6 (A).
  • the one embodiment in the connection structure of the high temperature superconducting coil concerning the present invention is shown, (A) is a longitudinal section and (B) is a transverse section.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction showing an embodiment of a high-temperature superconducting conductor according to the present invention.
  • the high-temperature superconducting conductor 10 of the first embodiment has a plurality of long-shaped high-temperature superconducting thin film wires (hereinafter referred to as thin film wires 11) arranged in the thickness direction (for example, two). Is configured.
  • the thin film wire 11 is formed by laminating a high-temperature superconducting layer 14 on one side of a flexible and tape-shaped metal substrate 12 via an intermediate layer 13 to form a laminated body 15.
  • a stabilization layer 17 is provided via a protective layer 16.
  • the intermediate layer 13 and the protective layer 16 are not shown in FIGS.
  • the metal substrate 12 is a high-strength metal such as a Ni-based alloy.
  • the intermediate layer 13 is an electrically insulating layer such as CeO 2 or MgO.
  • the high-temperature superconducting layer 14 is a superconducting layer having a composition represented by (RE) Ba 2 Cu 3 O 7 , including rare earth metals (RE) such as yttrium (Y) and gadolinium (Gd).
  • the protective layer 16 is a noble metal layer such as silver.
  • the stabilization layer 17 is a layer made of a low resistance metal such as copper.
  • the thin-film wire 11 (two thin-film wires 11 in this embodiment) disposed on the outermost side is positioned with the surface 18 on the metal substrate 12 side facing outward, and the high-temperature superconductivity of the thin-film wire 11
  • the surface 14 on the layer 14 side is held in a non-fixed state with the facing surface (in this embodiment, the surfaces 19 on the high-temperature superconducting layer 14 side facing each other of the two thin film wires 11 are held in a non-fixed state).
  • the high-temperature superconducting conductor 10 is configured such that both ends in the width direction of the thin film wire 11 are coupled by the conductive coupling member 20 over the longitudinal direction of the thin film wire 11 in a conductive state.
  • the conductive coupling member 20 is preferably a low melting point metal such as tin, tin alloy, indium, or indium alloy.
  • the high-temperature superconducting layer 14 of the thin-film wire 11 is sandwiched from the outside by the metal substrate 12, and the surface 19 of the thin-film wire 11 on the high-temperature superconducting layer 14 side is in an unfixed state.
  • the high-strength metal substrate 12 and the stabilization layer 17 support the mechanical loads.
  • the force in the peeling direction with respect to the thin film wire 11 is hardly transmitted to the high temperature superconducting layer 14.
  • the force F is applied to the stabilization layer 17 and the metal substrate. 12, the force that pulls the conductive coupling member 20 through 12, and the force that peels off the high-temperature superconducting layer 14 is extremely difficult.
  • a stabilization layer 17 is formed so as to cover the entire thin film wire 11. For this reason, as shown in FIG. 2, since the current 21 flows from the outer surface of the high-temperature superconducting conductor 10 to the high-temperature superconducting layer 14 via the stabilization layer 17, it is easy to introduce a current from the outside.
  • the intermediate layer 13 formed between the metal substrate 12 and the high-temperature superconducting layer 14 of both thin film wires 11 constituting the high-temperature superconducting conductor 10 is generally an electrical insulator, the outer surface of the high-temperature superconducting conductor 10 Therefore, the current 21 cannot flow in the stacking direction (thickness direction) of the thin film wire 11 as follows: stabilization layer 17 ⁇ protection layer 16 ⁇ metal substrate 12 ⁇ intermediate layer 13 ⁇ high temperature superconducting layer 14.
  • the high-temperature superconducting conductor 10 has a function of allowing currents 21 flowing through the two thin film wires 11 to be interchanged by electrically connecting the two thin film wires 11 with the conductive coupling member 20. For example, even if an electric current 21 flows from one side of the outer surface of the high-temperature superconducting conductor 10, that is, from the surface 18 on the metal substrate 12 side of one thin film wire 11, the other thin film wire 11 is passed through the conductive coupling member 20. Current 21 also flows.
  • the stabilization layer 17 in the thin film wire 11 may be formed by a method of plating a low-resistance metal such as copper, or as shown in the first modified form of FIG. It may be fixed via the brazing material 22.
  • a low melting point metal such as tin, tin alloy, indium or indium alloy is suitable.
  • the two thin film wires 11 may be covered with the tape-like conductive coupling member 23, and the two thin film wires 11 may be fixed to the conductive coupling member 23 with the brazing material 22, or the two thin films
  • the entire wire 11 may be plated with copper or the like.
  • the surface 19 of the stabilization layer 17 on the high temperature superconducting layer 14 side of the thin film wire 11 is not fixed to the surface 19 of the stabilizing layer 17 on the high temperature superconducting layer 14 side of the opposing thin film wire 11.
  • the conductive coupling member 20 of FIGS. 1 to 3 and the brazing material 22 of FIG. 4 protrude greatly, the surfaces of the two thin film wires 11 facing the high-temperature superconducting layer 14 facing each other are important. 19 may stick in a wide range.
  • an anti-adhesion member 24 may be inserted and interposed between the two thin film wires 11 as shown in the third modification of FIG.
  • the adhesion preventing member 24 is preferably made of a metal that does not adhere to the conductive coupling member 20 and the brazing material 22 such as aluminum or stainless steel, or a polymer material such as fluororesin or polyimide.
  • the number of thin film wires 11 need not be two, and three or more thin film wires 11 may be used. Furthermore, a stainless steel tape or a copper tape may be interposed between the plurality of thin film wires 11 for the purposes of manufacturability, reinforcement, and protection.
  • the thin-film wire 11 arranged on the outermost side in the high-temperature superconducting conductor 10 is positioned so that the surface 18 on the metal substrate 12 side becomes the outer surface.
  • each thin-film wire 11 is composed of the high-temperature superconducting layer 14. The surface 19 of the stabilization layer 17 on the side needs to be held in a non-adhered state with the opposing surface.
  • the following effects (1) to (4) are obtained.
  • the thin film wire 11 arranged on the outermost side is on the metal substrate 12 side.
  • the surface 19 of the thin film wire 11 on the high temperature superconducting layer 14 side is held in a non-adhered state with the surface 19 of the opposing thin film wire 11 on the high temperature superconducting layer 14 side.
  • both ends of the thin film wire 11 in the width direction can be conducted by the conductive coupling members 20 and 23. And are configured to be coupled along the longitudinal direction. Therefore, the ratio of members other than the thin film wire 11 is small in the cross-sectional area perpendicular to the longitudinal direction of the high-temperature superconducting conductor 10. As a result, the critical current density in the cross section of the high-temperature superconducting conductor 10 can be ensured satisfactorily without decreasing.
  • the high-temperature superconducting conductor 10 uses a thin film wire 11 having a stabilization layer 17 formed around it, and both ends of the thin film wire 11 in the width direction are electrically conductive coupling members 20.
  • the conductive coupling member 23 is configured to be coupled in the longitudinal direction in a conductive state. For this reason, the current 21 can easily flow from the outer surface of the high temperature superconducting conductor 10 through the stabilization layer 17 of the thin film wire 11 to the high temperature superconducting layer 14 of the thin film wire 11, and the conductive coupling member 20 or the conductive material. The current 21 can be interchanged between the two thin film wires 11 by the coupling member 23.
  • FIGS. 6 to 8) 6A and 6B show an embodiment of the high-temperature superconducting coil according to the present invention, in which FIG. 6A is an overall cross-sectional view, and FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view showing an A portion of FIG.
  • the high-temperature superconducting coil 30 shown in FIG. 6 is produced by laminating the tape-shaped high-temperature superconducting conductor 10 in the first embodiment on, for example, a winding frame (not shown in FIGS. 6 to 8) and winding it.
  • the pancake coils 31 are stacked so that their respective axis centers 0 coincide with each other.
  • Each pancake coil 31 winds the high temperature superconducting conductor 10 and the insulating tape 32 together, and each winding turn of the high temperature superconducting conductor 10 and the insulating tape 32 is impregnated with an insulating resin 33 and fixed. .
  • Insulating materials 34 are disposed at both axial ends of the pancake coils 31, and cooling plates 35 for cooling the high-temperature superconducting conductor 10 are installed outside the insulating materials 34.
  • the cooling plate 35 is finally thermally connected to cooling means (for example, a refrigerator) through various members.
  • the high-temperature superconducting coil 30 impregnated with the resin 33 When the high-temperature superconducting coil 30 impregnated with the resin 33 is cooled, tensile stress is generated in the high-temperature superconducting coil 30 in the coil radial direction due to the anisotropy of the heat shrinkage rate. This tensile stress acts as a force in the peeling direction on the high-temperature superconducting conductor 10 of the high-temperature superconducting coil 30.
  • the high temperature superconducting coil 30 is wound using the high temperature superconducting conductor 10 that hardly transmits any force to the high temperature superconducting layer 14 of the thin film wire 11 even if a force in the peeling direction acts.
  • the high temperature superconducting layer 14 of the thin film wire 11 in the high temperature superconducting conductor 10 constituting the high temperature superconducting coil 30 is not damaged, and the superconducting characteristics of the high temperature superconducting coil 30 do not deteriorate.
  • the high temperature superconducting coil 30 is excellent in terms of cooling. That is, in order to avoid breakage of the high-temperature superconducting layer 14 in the thin film wire 11 of the high-temperature superconducting conductor 10 constituting the high-temperature superconducting coil 30, a separation process is performed without fixing the winding turns of the high-temperature superconducting coil 30 with the resin 33. In this case, there is a structure that prevents the force in the peeling direction from acting on the high-temperature superconducting layer 14, but in that case, it becomes difficult to transfer heat in the release part, and thus the cooling of the thin film wire 11 may be insufficient. There is.
  • the high-temperature superconducting conductor 10 can be reliably cooled.
  • the high temperature superconducting coil 30 functions as an uninsulated coil in which the winding turns are electrically connected. That is, FIG. 7 shows a winding configuration of the first modified form of the high-temperature superconducting coil 30 that is an uninsulated coil.
  • the insulating tape 32 is not interposed between the adjacent high-temperature superconducting conductors 10, and each winding turn composed of only the high-temperature superconducting conductor 10 is fixed by the resin 33 and at the same time the longitudinal length of the high-temperature superconducting conductor 10.
  • the inter-turn contact part 37 extending in the direction is provided so as to be conductive.
  • the high-temperature superconducting conductor 10 constituting the high-temperature superconducting coil 30 has a function that does not act on the high-temperature superconducting layer 14 of the thin film wire 11 in the peeling direction,
  • the adjacent winding turns of the high-temperature superconducting conductor 10 can be brought into contact with each other by 33, and the gap can be filled and fixed with a resin or the like. It becomes possible to make an insulating coil.
  • the contact electrical resistance value of the contact part 37 between turns becomes a value several times to several orders of magnitude larger than the electrical resistance value of the electroconductive coupling member 20 which electrically connects the thin film wire 11.
  • the winding turns of the high-temperature superconducting conductor 10 are not fixed between the resin 33 (release).
  • the adjacent high-temperature superconducting conductor 10 is directly contacted by the inter-turn contact portion 37 shown in FIG. 7, and the high-temperature superconducting coil shown in FIG.
  • the electrically conductive member 38 wound together with the high temperature superconductor 10 may be disposed between adjacent winding turns of the high temperature superconductor 10. Since the electrically conductive member 38 is a conductive material and needs to be in good contact with the high-temperature superconducting conductor 10, a soft metal such as indium, a wire mesh such as copper or stainless steel, carbon fiber, or the like is preferable. .
  • the electrical conducting member 38 By appropriately selecting the electrical conducting member 38, the contact state between the electrical conducting member 38 and the high temperature superconducting conductor 10 and the electrical resistance value between the high temperature superconducting conductors 10 can be changed.
  • the high temperature superconducting coil 30 has a high temperature superconducting conductor 10 that hardly transmits to the high temperature superconducting layer 14 of the thin film wire 11 even when a force in the peeling direction acts. It is comprised using. For this reason, even if a mechanical load acts on the superconducting coil 30 in the manufacturing process or use situation of the superconducting coil 30 and a force in the peeling direction acts on the thin film wire 11 in the high-temperature superconducting conductor 10 constituting the superconducting coil 30.
  • the high temperature superconducting layer 14 of the high temperature superconducting coil 30 can be prevented from being damaged. As a result, it can be ensured satisfactorily without degrading the superconducting characteristics of the high-temperature superconducting coil 30.
  • the high-temperature superconducting coil 30 has a high-temperature superconducting conductor 10 that hardly acts on the high-temperature superconducting layer 14 of the thin film wire 11 even when a force in the peeling direction acts. It is comprised using. For this reason, in order to avoid that the high temperature superconducting layer 14 of the thin film wire 11 in the high temperature superconducting conductor 10 constituting the high temperature superconducting coil 30 is damaged by the force in the peeling direction, each winding turn of the high temperature superconducting conductor 10 is made of resin 33. There is no need to form a release part for preventing the fixing.
  • the high temperature superconducting conductor 10 and the surrounding members (insulating material 34, cooling plate 35, etc.) in the high temperature superconducting coil 30 can be fixed by the resin 33, so that the heat flow 36 is not hindered.
  • the cooling performance of the high-temperature superconducting conductor 10 of the high-temperature superconducting coil 30 can be improved.
  • the high-temperature superconducting coil 30 is configured using a high-temperature superconducting conductor 10 that hardly transmits to the high-temperature superconducting layer 14 of the thin film wire 11 even if a force in the peeling direction acts. Yes. For this reason, each winding turn of the high-temperature superconducting conductor 10 constituting the high-temperature superconducting coil 30 is fixed by the resin 33, and adjacent winding turns of the high-temperature superconducting conductor 10 are brought into contact with each other by the contact portion 37 between the turns. Yes. As a result, the high temperature superconducting coil 30 can be configured as an uninsulated coil in which the winding turns are electrically connected.
  • each winding turn of the high-temperature superconducting conductor 10 constituting the high-temperature superconducting coil 30 is fixed by the resin 33, and a conductive material is used between adjacent winding turns of the high-temperature superconducting conductor 10.
  • the configured electrical conduction member 38 is disposed in contact with the high temperature superconducting conductor 10.
  • FIG. 9 shows an embodiment of the connection structure of the high-temperature superconducting coil according to the present invention, in which (A) is a longitudinal sectional view and (B) is a transverse sectional view.
  • the high-temperature superconducting coil connection structure 40 shown in FIG. 9 includes a high-temperature superconducting silver sheath wire (hereinafter referred to as a silver sheath) that connects a longitudinal end portion of the high-temperature superconducting conductor 10 and the metal conductor 41 in the high-temperature superconducting coil 30 of the second embodiment. This structure is electrically connected via a wire 42).
  • the silver sheath wire 42 is electrically connected to the longitudinal direction end portion of the high temperature superconducting conductor 10 constituting the high temperature superconducting coil 30 in parallel with the high temperature superconducting conductor 10 using the solder 43, and the silver sheath wire 42.
  • the metal conductor 41 is electrically connected using the solder 43 to form the connection structure 40.
  • the connection length L1 between the high-temperature superconducting conductor 10 and the silver sheath wire 42 of the high-temperature superconducting coil 30 is set to be longer than the connection length L2 between the silver sheath wire 42 and the metal conductor 41.
  • the connection length with the conductor 41 is substantially increased by the silver sheath wire 42.
  • the silver sheath wire 42 has a tape shape like the thin film wire 11, but its internal structure is significantly different from that of the thin film wire 11. That is, the silver sheath wire 42 is not a laminated structure like the thin film wire 11 but has a structure in which the high-temperature superconducting filament 45 is embedded and mixed in a silver matrix 44 as a base material. Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 is used as the material of the high-temperature superconducting filament 45 of the silver sheath wire 42 put into practical use. Further, as shown in FIG. 10, the silver sheath wire 42 may be one in which a reinforcing material 46 is fixed and reinforced by, for example, a brazing material 22 on the front surface and the back surface thereof.
  • solder 43 As the material of the solder 43, a low melting point metal such as tin, tin alloy, indium or indium alloy is suitable. For the connection between the high-temperature superconducting conductor 10 and the silver sheath wire 42 and the connection between the silver sheath wire 42 and the metal conductor 41, a solder 43 made of a different material may be used in consideration of ease of manufacturing.
  • the metal conductor 41 introduces a current at the lead electrode 41A fixed to the winding frame 47 in order to start winding the high-temperature superconducting conductor 10, and at the winding end as shown in FIG.
  • This is a lead electrode 41B for connecting, or a connecting conductor 41C between the pancake coils 31 as shown in FIG.
  • a low resistance metal such as silver or copper is used as the material of the metal conductor 41, but the thin film wire 11 or the silver sheath wire 42 may be used as the metal conductor 41.
  • the outer surface of the high-temperature superconducting conductor 10 and the metal conductor 41 are directly electrically connected without the silver sheath wire 42, the outer surface of the high-temperature superconducting conductor 10 is the stabilizing layer 17 on the metal substrate 12 side of the thin film wire 11. Therefore, the current 21 flows to the high-temperature superconducting layer 14 through the thin stabilizing layer 17 of about several tens ⁇ m of the thin film wire 11. For this reason, as compared with the case where the metal conductor 41 is directly connected to the stabilization layer 17 on the high temperature superconducting layer 14 side of the thin film wire 11 as in the normal thin film wire 11, the high temperature superconducting conductor 10 without the silver sheath wire 42 is used.
  • connection can be made with a low electrical resistance value by increasing the connection length from several hundred mm to about 1 m.
  • the metal conductor 41 used for the lead electrodes 41A and 41B and the connection conductor 41C is usually difficult to have a length of about 100 mm or more due to dimensions, manufacturing restrictions, and the like.
  • the silver sheath wire 42 has substantially zero electrical resistance in the longitudinal direction and penetrates the back surface and the surface of the silver sheath wire 42. Also in the (thickness direction), the current 21 can flow with a low electric resistance through the silver matrix 44 as a base material. For this reason, in the connection between the high-temperature superconducting conductor 10 and the metal conductor 41 of the high-temperature superconducting coil 30, the substantial connection length is increased by the silver sheath wire 42, and it becomes possible to electrically connect with a low electric resistance value. .
  • the following effect (9) is obtained.
  • the longitudinal end of the high temperature superconducting conductor 10 of the high temperature superconducting coil 30 is connected to the metal conductor 41 via the silver sheath wire 42.
  • the connection length L1 between the high temperature superconducting conductor 10 and the silver sheath wire 42 is The silver sheath wire 42 is set to be longer than the connection length L2 between the silver sheath wire 42 and the metal conductor 41.
  • the silver sheath wire 42 the substantial connection length between the high temperature superconducting conductor 10 and the metal conductor 41 of the high temperature superconducting coil 30 is increased. ing.
  • the high-temperature superconducting conductor 10 and the metal conductor 41 can be connected with a low electrical resistance value, so that heat generation at this connecting portion can be suppressed.
  • SYMBOLS 10 High temperature superconducting conductor, 11 ... Thin film wire, 12 ... Metal substrate, 13 ... Intermediate layer, 14 ... High temperature superconducting layer, 15 ... Laminated body, 16 ... Protective layer, 17 ... Stabilizing layer, 18 ... Metal substrate side surface , 19 ... surface on the high-temperature superconducting layer side, 20, 23 ... conductive coupling member, 24 ... anti-adhesion member, 30 ... high-temperature superconducting coil, 33 ... resin, 37 ... contact portion between turns, 38 ... electric conduction member, 40 ... Connection structure of high-temperature superconducting coil, 41 ... metal conductor, 42 ... silver sheath wire, 44 ... silver matrix, 45 ... high-temperature superconducting filament, 47 ... winding frame, L1, L2 ... connection length.

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Abstract

高温超電導導体１０は、可撓性で且つテープ状の金属基板１２の片側面に中間層１３を介して高温超電導層１４が積層されて積層体１５が形成され、この積層体の周囲に保護層１６介して安定化層１７が設けられて薄膜線材１１が形成され、この薄膜線材が厚さ方向に複数配置されて構成された高温超電導導体１０であって、複数の薄膜線材１１は、最も外側に配置される薄膜線材が金属基板１２側の面１８を外側に向けて位置づけられ、高温超電導層１４側の面１９が対向する面と非固着状態に保持され、幅方向両端部が導電性結合部材２０により導電可能な状態で長手方向に亘って結合されて構成されたものである。

Description

高温超電導導体、高温超電導コイル及び高温超電導コイルの接続構造
　本発明の実施形態は、高温超電導層を有する高温超電導導体、この高温超電導導体を備えた高温超電導コイル、及びこの高温超電導コイルの接続構造に関する。
　高温超電導薄膜線材（薄膜線材）は、イットリウム（Ｙ）やガドリニウム（Ｇｄ）等の希土類金属（Ｒｅａｒ　Ｅａｒｔｈ；ＲＥ）を含み、（ＲＥ）Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７に代表される組成の高温超電導層を線材化したものである。この薄膜線材は、厚さ百μｍ程度の金属基板上に、中間層と呼ばれるＣｅＯ２やＭｇＯなどの結晶を２軸配向させた数μｍ程度の薄膜層を積層し、その上に結晶を２軸配向させた厚さ数μｍ程度の高温超電導層を積層した構造となっている。実用の薄膜線材では、高温超電導層の表面に銀などの保護層を施し、更にその外側に、常電導転移した際に電流を迂回させるための銅などの安定化層が形成されているのが一般的である。
　このような薄膜線材は、高磁場下での電流容量が大きく、更に長手方向の耐応力特性が良いという特徴がある。そのため、高磁場を発生させるために必要な高電流密度、高応力の高温超電導コイルを実現できることが期待されており、ＭＲＩ用磁石や単結晶引き上げ装置用磁石、加速器用磁石等に適用するための開発が進められている。
　薄膜線材は、その長手方向に機械的負荷を作用させた場合の許容応力が高い一方で、積層した中間層、高温超電導層等を引きはがす方向（剥離方向）に対しては、極めて弱い応力で高温超電導層が破壊されることが知られている。例えば、薄膜線材を巻線して樹脂含浸すると、冷却時の熱応力等によって薄膜線材に剥離方向の力が作用するが、その対策が様々に提案されている。
　つまり、外部から高温超電導層に作用する剥離方向の力を別の部材で分担させる構造として、例えば、薄膜線材の外表面を金属テープからなるカバー部材で覆う構造や、２枚の薄膜線材を超電導層側で貼り合わせる構造、２枚の薄膜線材を金属基板側で接続し導電性構造で覆う構造等が開示されている。一方、薄膜線材の周囲を取り囲むように補強テープ線を配置し、補強テープ線と薄膜線材間を離形する構造、中空部を有する安定化層（材）を薄膜線材に接合する構造、薄膜線材を銅などのシートで密閉する構造が開示されている。
　また、剥離方向の力が高温超電導層に作用することを回避する構造として、例えば、線材の周囲に離形材を設けることで剥離方向の応力が作用しないようにする構造や、薄膜線材と補強板を絶縁テープで包囲して拘束し、薄膜線材と補強板が摺接する面に離型材を設ける構造、薄膜線材と離形テープを共巻する構造が開示されている。
特開２０１２－１６９２３７号公報 特表２００３－５０５８８７号公報 特表２００９－５０３７９４号公報 特開２０１１－３４９４号公報 特開２０１３－２３２２９７号公報 特表２００３－５０５８４８号公報 特開２００８－２４４２４９号公報 特開２０１１－１１３９３３号公報 特開２０１２－３３９４７号公報
　薄膜線材を巻き回し樹脂含浸して作製した高温超電導コイルにおいて、薄膜線材の剥離を防止する構造は、前述のように様々に開示されているが、それぞれの構造には以下に示す課題がある。
　即ち、外部から高温超電導層に作用する剥離方向の力を別の部材で補強する構造では、高温超電導層に作用する剥離方向の力を完全にゼロにすることができず、高温超電導層が破損する恐れがある。
　また、薄膜線材の外部を補強テープで覆ったり、内部に中空部を有する安定化材を追加したりすることで、剥離方向の力を高温超電導層に伝達しないようにした構造では、補強テープや安定化材を追加した分だけ薄膜線材の横断面積が増加し、この横断面での臨界電流密度が低下するという課題がある。
　更に、薄膜線材の周囲に離形材を配置する方法や、薄膜線材を絶縁テープで拘束する構造の場合には、高温超電導コイルの保護対策としての“無絶縁コイル”を適用することが困難になるという課題がある。無絶縁コイルは、隣接する巻線ターン間を電気的に導通させることで、常電導に転移した部位の電流を減少させるものであるが、離形材や絶縁テープによって巻線ターン間が電気的に絶縁されると、無絶縁コイルとしての機能が喪失してしまう。
　本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、機械的負荷に対して高温超電導層の破損を防止して信頼性を確保できると共に、臨界電流密度を良好に確保できる高温超電導導体を提供することにある。
　また、本発明の目的は、製造工程や使用状況に応じて発生する機械的負荷に対して超電導特性を良好に確保できる高温超電導コイルを提供することにある。
　更に、本発明の目的は、高温超電導コイルの高温超電導導体と金属導体とを低い電気抵抗値で良好に接続できる高温超電導コイルの接続構造を提供することにある。
　本発明に係る高温超電導導体は、可撓性で且つテープ状の金属基板の片側面に中間層を介して高温超電導層が積層されて積層体が形成され、この積層体の周囲に保護層を介して安定化層が設けられて薄膜線材が形成され、この薄膜線材が厚さ方向に複数配置されて構成された高温超電導導体であって、複数の前記薄膜線材は、最も外側に配置される前記薄膜線材が前記金属基板側の面を外側に向けて位置づけられ、前記高温超電導層側の面が対向する面と非固着状態に保持され、幅方向両端部が導電可能な状態で長手方向に亘って結合されて構成されたことを特徴とするものである。
　また、本発明に係る高温超電導コイルは、前記発明における高温超電導導体が巻枠に巻き回されて構成されたことを特徴とするものである。
　更に、本発明に係る高温超電導コイルの接続構造は、前記発明における高温超電導コイルを構成する高温超電導導体の長手方向端部が、銀マトリックス中に高温超電導フィラメントが混在して構成された銀シース線材を介して、金属導体に接続されるよう構成されたことを特徴とするものである。
　本発明によれば、複数の薄膜線材が厚さ方向に配置されてなる高温超電導導体は、最も外側に配置される薄膜線材が金属基板側の面を外側に向けて位置づけられると共に、薄膜線材の高温超電導層側の面が対向する面と非固着状態に保持されて構成される。このため、高温超電導導体に外部から機械的荷重が作用したとき、この荷重が薄膜線材の高温超電導層に剥離方向の力として作用することを抑制できる。この結果、外部からの機械的負荷に対して高温超電導層の破損を防止して、高温超電導導体の信頼性を確保できる高温超電導導体を提供できる。従って、この高温超電導導体を巻枠に巻き回して構成される高温超電導コイルに、その製造時または使用時に機械的負荷が作用した場合にも、高温超電導コイルの超電導特性を良好に確保できる高温超電導コイルを提供できる。
　また、複数の薄膜線材が厚さ方向に配置されてなる高温超電導導体は、薄膜線材の幅方向両端部が導電可能な状態で長手方向に亘って結合されて構成される。従って、高温超電導導体の長手方向に垂直な横断面積において薄膜線材以外の部材の割合が少ない。この結果、高温超電導導体の臨界電流密度を低下させることなく良好に確保できる高温超電導導体を提供できる。
　更に、高温超電導コイルの高温超電導導体の長手方向端部が銀シース線材を介して金属導体に接続され、接続長が実質的に長くなることで、高温超電導コイルの高温超電導導体と金属導体とを低い電気抵抗値で良好に接続できる高温超電導コイルの接続構造を提供できる。
本発明に係る高温超電導導体の一実施形態を示す長手方向に垂直な横断面図。 図１の高温超電導導体の電流の流れを示す横断面図。 図１の高温超電導導体の第１変形形態を示す横断面図。 図１の高温超電導導体の第２変形形態を示す横断面図。 図１の高温超電導導体の第３変形形態を示す横断面図。 本発明に係る高温超電導コイルの一実施形態を示し、（Ａ）が全体断面図、（Ｂ）が図６（Ａ）のＡ部を拡大して示す拡大断面図。 図６の高温超電導コイルの第１変形形態を示す部分拡大断面図。 図６の高温超電導コイルの第２変形形態を示す部分拡大断面図。 本発明に係る高温超電導コイルの接続構造における一実施形態を示し、（Ａ）が縦断面図、（Ｂ）が横断面図。 図９の銀シース線材の変形形態を示す横断面図。 図９における金属導体の一例としての口出し用電極を含む高温超電導コイルの巻枠等を示す平面図。 図９における金属導体の他の例としての口出し用電極が設けられた高温超電導コイルを示す斜視図。 図９における金属導体の更に他の例としての接続導体が設けられた高温超電導コイルを示す斜視図。
　以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
　［Ａ］第１実施形態（図１～図５）
　図１は、本発明に係る高温超電導導体の一実施形態を示す長手方向に垂直な横断面図である。この図１に示すように、本第１実施形態の高温超電導導体１０は、長尺形状の高温超電導薄膜線材（以下、薄膜線材１１と称する）が厚さ方向に複数枚（例えば２枚）配置されて構成されたものである。
　薄膜線材１１は、可撓性で且つテープ形状の金属基板１２の片側面に、中間層１３を介して高温超電導層１４が積層されて積層体１５が形成され、この積層体１５の周囲に、保護層１６を介して安定化層１７が設けられて形成される。ここで、中間層１３及び保護層１６については、図３～図９において図示を省略している。
　金属基板１２は、Ｎｉ基合金等の高強度金属である。また、中間層１３は、ＣｅＯ２やＭｇＯ等の電気絶縁性の層である。更に、高温超電導層１４は、イットリウム（Ｙ）やガドリニウム（Ｇｄ）等の希土類金属（ＲＥ）を含み、（ＲＥ）Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７に代表される組成の超電導層である。また、保護層１６は、銀などの貴金属の層である。更に、安定化層１７は、銅などの低抵抗金属からなる層である。
　高温超電導導体１０は、最も外側に配置される薄膜線材１１（本実施形態では２枚の薄膜線材１１）が金属基板１２側の面１８を外側に向けて位置づけられると共に、薄膜線材１１の高温超電導層１４側の面１９が対向する面と非固着状態（本実施形態では、２枚の薄膜線材１１のそれぞれ対向する高温超電導層１４側の面１９が非固着状態）に保持されて構成される。更に、高温超電導導体１０は、薄膜線材１１の幅方向両端部が導電性結合部材２０により、導電可能な状態で薄膜線材１１の長手方向に亘って結合されて構成される。ここで、導電性結合部材２０は、錫や錫合金またはインジウムやインジウム合金等の低融点金属が好ましい。
　本第１実施形態の高温超電導導体１０では、薄膜線材１１の高温超電導層１４が金属基板１２によって外側から挟まれ、更に、薄膜線材１１の高温超電導層１４側の面１９が非固着状態に構成されている。このため、高温超電導導体１０の外側から様々な方向の機械的負荷（曲げ、引張り、加熱等）が作用したとしても、この機械的荷重を高強度の金属基板１２や安定化層１７が支持し、薄膜線材１１に対する剥離方向の力は、高温超電導層１４にほとんど伝達しない。例えば、高温超電導導体１０の外表面である金属基板１２側の安定化層１７の面１８に、外部からの力Ｆが引っ張る方向に作用したとしても、その力Ｆは安定化層１７及び金属基板１２を介して導電性結合部材２０を引っ張る力となり、高温超電導層１４を剥離させる力には極めてなりにくい。
　また、高温超電導導体１０では、薄膜線材１１の全体を覆うように安定化層１７が形成されている。このため、図２に示すように、高温超電導導体１０の外表面から安定化層１７を介して高温超電導層１４へ電流２１が流れるので、外部からの電流導入が容易である。なお、高温超電導導体１０を構成する両薄膜線材１１の金属基板１２と高温超電導層１４との間に形成される中間層１３が一般的に電気絶縁体であるため、高温超電導導体１０の外表面から、安定化層１７→保護層１６→金属基板１２→中間層１３→高温超電導層１４のように、薄膜線材１１の積層方向（厚さ方向）に電流２１を流すことはできない。
　また、高温超電導導体１０は、２枚の薄膜線材１１を導電性結合部材２０により電気的に接続することで、２枚の薄膜線材１１に流れる電流２１を互いに融通する機能がある。例えば、高温超電導導体１０の外表面の片側、即ち一方の薄膜線材１１の金属基板１２側の面１８から電流２１を流したとしても、導電性結合部材２０を介して、他方の薄膜線材１１へも電流２１が流れる。また、一方の薄膜線材１１における長手方向の一部に局所的に臨界電流値が低い性能低下部分が存在し、通電電流値がその性能低下部分で臨界電流値を越えそうになったとしても、電流２１が他方の薄膜線材１１へ導電性結合部材２０を経て分流する。このため、性能低下部分が常電導導体に変化することを防止でき、高温超電導導体１０に熱暴走が発生しにくくなる。
　ここで、薄膜線材１１における安定化層１７は、銅等の低抵抗金属をメッキする方法で形成してもよいし、図３の第１変形形態に示すように、銅等のテープ材を、ろう材２２を介して固着させてもよい。ろう材２２としては、錫や錫合金またはインジウムやインジウム合金等の低融点金属が好適である。
　また、２枚の薄膜線材１１を、導電性結合部材２０を用いて幅方向両端部（つまり横断面両端部）のみで固着するほか、図４の第２変形形態に示すように、銅製等のテープ状の導電性結合部材２３を用いて２枚の薄膜線材１１を覆い、ろう材２２を用いて２枚の薄膜線材１１を導電性結合部材２３に固着させてもよいし、２枚の薄膜線材１１の全体を銅等でメッキしても良い。導電性結合部材２３を用いたり、全体をメッキしたりする場合には、２枚の薄膜線材１１は、幅方向両端部を含む周囲が互いに結合されることになる。
　また、高温超電導導体１０では、薄膜線材１１の高温超電導層１４側の安定化層１７の面１９が、対向する薄膜線材１１の高温超電導層１４側の安定化層１７の面１９と非固着状態に保持されることが重要になるが、図１～３の導電性結合部材２０や図４のろう材２２が大きくはみ出ると、これらの両薄膜線材１１における互いに対向する高温超電導層１４側の面１９が、広い範囲で固着してしまう可能性がある。それを防止するために、図５の第３変形形態に示すように、２枚の薄膜線材１１間に固着防止部材２４を挿入して介在させてもよい。この固着防止部材２４は、アルミニウムやステンレスなどのように、導電性結合部材２０及びろう材２２と固着しない金属、またはフッ素樹脂やポリイミド等の高分子材料を用いるのが好ましい。
　なお、高温超電導導体１０において、薄膜線材１１は２枚である必要はなく、３枚以上の薄膜線材１１を用いてもよい。更に、製作性や補強、保護等の目的で、複数枚の薄膜線材１１間にステンレステープや銅テープを介在させてもよい。この場合には、高温超電導導体１０において最も外側に配置される薄膜線材１１は、金属基板１２側の面１８が外表面になるように位置づけられ、更に、各薄膜線材１１は、高温超電導層１４側の安定化層１７の面１９が、対向する面と非固着状態に保持される必要がある。
　以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）～（４）を奏する。
　（１）図１に示すように、複数枚（例えば２枚）の薄膜線材１１が厚さ方向に配置されてなる高温超電導導体１０は、最も外側に配置される薄膜線材１１が金属基板１２側の面１８を外側に向けて位置づけられると共に、薄膜線材１１の高温超電導層１４側の面１９が、対向する薄膜線材１１の高温超電導層１４側の面１９と非固着状態に保持されて構成される。このため、高温超電導導体１０に外部から機械的荷重が作用して薄膜線材１１の金属基板１２側の安定化層１７の面１８に力Ｆが作用したとき、この力Ｆが薄膜線材１１の高温超電導層１４に剥離方向の力として作用することを抑制できる。この結果、外部からの機械的負荷に対して高温超電導層１４の破損を防止でき、高温超電導導体１０の信頼性を確保できる。
　（２）複数枚（例えば２枚）の薄膜線材１１が厚さ方向に配置されてなる高温超電導導体１０は、薄膜線材１１の幅方向両端部が導電性結合部材２０、２３により導電可能な状態で長手方向に亘って結合されて構成される。従って、高温超電導導体１０の長手方向に垂直な横断面積において薄膜線材１１以外の部材の割合が少ない。この結果、高温超電導導体１０の横断面における臨界電流密度を、低下させることなく良好に確保できる。
　（３）図１及び図４に示すように、高温超電導導体１０は、周囲に安定化層１７が形成された薄膜線材１１を用い、この薄膜線材１１の幅方向両端部が導電性結合部材２０または導電性結合部材２３により、導電可能な状態で長手方向に亘って結合されて構成される。このため、高温超電導導体１０の外表面から薄膜線材１１の安定化層１７を通って薄膜線材１１の高温超電導層１４へ電流２１を容易に流すことができ、且つ導電性結合部材２０または導電性結合部材２３により２枚の薄膜線材１１間で電流２１を融通することができる。この結果、高温超電導導体１０の外部からの電流導入が容易であり、更に、薄膜線材１１における臨界電流値の低い性能低下部分にその臨界電流値を越える電流２１が流れてその部分が常電導導体に変化することを防止できるので、高温超電導導体１０に熱暴走が発生することを防止できる。
　（４）図５に示すように、高温超電導導体１０における薄膜線材１１間に固着防止部材２４が挿入して介在された場合には、対向する薄膜線材１１の高温超電導層１４側の面１９が、導電性結合部材２０またはろう材２２により広範囲に亘って固着することを防止でき、非固着状態を確実に保持できる。この結果、機械的荷重に対する高温超電導導体１０の信頼性を向上させることができる。
　［Ｂ］第２実施形態（図６～図８）
　図６は、本発明に係る高温超電導コイルの一実施形態を示し、（Ａ）が全体断面図、（Ｂ）が図６（Ａ）のＡ部を拡大して示す拡大断面図である。この図６の高温超電導コイル３０は、第１実施形態におけるテープ形状の高温超電導導体１０を例えば巻枠（図６～図８には不図示）に積層して巻き回してパンケーキコイル３１を作製し、これらのパンケーキコイル３１を、それぞれの軸心０を一致させて積み重ねて構成される。
　各パンケーキコイル３１は、高温超電導導体１０と絶縁テープ３２とを共に巻線し、これらの高温超電導導体１０及び絶縁テープ３２の各巻線ターンが、絶縁性の樹脂３３により含浸されて固着される。これらのパンケーキコイル３１の軸方向両端に絶縁材３４が配設され、この絶縁材３４の外側に、高温超電導導体１０を冷却するための冷却板３５が設置されている。冷却板３５は、様々な部材を介して最終的に冷却手段（例えば冷凍機など）に熱的に接続される。
　樹脂３３で含浸された高温超電導コイル３０を冷却すると、この高温超電導コイル３０には、熱収縮率の異方性によってコイル径方向に引張応力が発生する。この引張応力は、高温超電導コイル３０の高温超電導導体１０にとって剥離方向の力として作用する。但し、高温超電導コイル３０は、剥離方向の力が作用したとしても薄膜線材１１の高温超電導層１４にほとんど力が伝達しない高温超電導導体１０を用いて巻線されている。このため、この高温超電導コイル３０では、高温超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０における薄膜線材１１の高温超電導層１４が破損して、高温超電導コイル３０の超電導特性が低下することがない。
　また、高温超電導コイル３０は、冷却の観点においても優れている。つまり、高温超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０の薄膜線材１１における高温超電導層１４の破損を回避するために、高温超電導コイル３０の巻線ターン間を樹脂３３で固着せず離形処理することで、高温超電導層１４に剥離方向の力が作用することを防止する構造があるが、その場合、離形部で熱を伝えにくくなるため、薄膜線材１１の冷却が不十分になる可能性がある。しかしながら、本実施形態の高温超電導コイル３０では、巻線ターンの高温超電導導体１０及び絶縁テープ３２を周囲の部材（絶縁材３４、冷却板３５など）と樹脂３３で固着させても、高温超電導導体１０における薄膜線材１１の高温超電導層１４が破損することがない。従って、高温超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０の周囲に、熱の流れ３６を阻害する離形部が存在しないので、高温超電導導体１０を確実に冷却できる。
　また、高温超電導コイル３０は、巻線ターン間を電気的に導通させた無絶縁コイルとして機能する。つまり、図７は、無絶縁コイルとした高温超電導コイル３０の第１変形形態の巻線構成を示す。この高温超電導コイル３０では、隣接する高温超電導導体１０間に絶縁テープ３２が介在せず、高温超電導導体１０のみからなる各巻線ターンは、樹脂３３で固着されると同時に、高温超電導導体１０の長手方向に延在するターン間接触部３７により導電可能に設けられる。
　この図７に示す第１変形形態では、高温超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０自体が、薄膜線材１１の高温超電導層１４に剥離方向の力を作用させない機能を有しているため、樹脂３３によって高温超電導導体１０の隣接する巻線ターンを接触させ、隙間を樹脂などで充填し固着することが可能であり、ターン間接触部３７により巻線ターン間の電気的導通を確保して無絶縁コイルにすることが可能になる。なお、ターン間接触部３７の接触電気抵抗値は、薄膜線材１１を電気的に接続する導電性結合部材２０の電気抵抗値よりも数倍から数桁大きい値となる。
　また、高温超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０における薄膜線材１１の高温超電導層１４が破損することを回避するために、高温超電導導体１０の巻線ターン間を樹脂３３で固着させない（離形する）ことで、薄膜線材１１の高温超電導層１４に剥離方向の力が作用することを避ける手段もあるが、その手段では、離形部によって巻線ターン間の電気的な導通が無くなる、もしくは不確実になり、高温超電導コイル３０を無絶縁コイルとして成立させることが不可能になる。
　高温超電導導体１０の巻線ターン間の電気的な導通を確保する手段としては、図７に示すターン間接触部３７により隣接する高温超電導導体１０を直接接触させるほか、図８に示す高温超電導コイル３０の第２変形形態のように、高温超電導導体１０と共巻した電気導通部材３８を、高温超電導導体１０の隣接する巻線ターン間に配置してもよい。電気導通部材３８は、導電材料であると共に、高温超電導導体１０と良好な接触状態が得られる必要があることから、インジウム等の柔らかい金属、銅やステンレス等の金網、炭素繊維等が好適である。この電気導通部材３８を適切に選択することで、電気導通部材３８と高温超電導導体１０との接触状態や、高温超電導導体１０間の電気抵抗値を変更することが可能になる。
　以上のように構成されたことから、本第２実施形態によれば、次の効果（５）～（８）を奏する。
　（５）図６、図７及び図８に示すように、高温超電導コイル３０は、剥離方向の力が作用してもこの力が薄膜線材１１の高温超電導層１４にほとんど伝達しない高温超電導導体１０を用いて構成されている。このため、超電導コイル３０の製造工程または使用状況において超電導コイル３０に機械的負荷が作用して、この超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０における薄膜線材１１に剥離方向の力が作用しても、この力が薄膜線材１１の高温超電導層１４に伝達されることがほとんどないので、この高温超電導コイル３０の高温超電導層１４の破損を防止できる。この結果、高温超電導コイル３０の超電導特性を低下させることなく良好に確保できる。
　（６）図６、図７及び図８に示すように、高温超電導コイル３０は、剥離方向の力が作用してもこの力が薄膜線材１１の高温超電導層１４にほとんど作用しない高温超電導導体１０を用いて構成されている。このため、高温超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０における薄膜線材１１の高温超電導層１４が剥離方向の力によって破損することを回避するために、高温超電導導体１０の各巻線ターンを樹脂３３で固着させないための離形部を形成する必要がない。従って、高温超電導コイル３０における高温超電導導体１０と周囲部材（絶縁材３４、冷却板３５など）とを樹脂３３で固着させることが可能になるので、熱の流れ３６が阻害されない。この結果、高温超電導コイル３０の高温超電導導体１０の冷却性能を向上させることができる。
　（７）図７に示すように、高温超電導コイル３０は、剥離方向の力が作用してもこの力が薄膜線材１１の高温超電導層１４にほとんど伝達しない高温超電導導体１０を用いて構成されている。このため、高温超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０の各巻線ターンが樹脂３３により固着されると共に、高温超電導導体１０の隣接する巻線ターンがターン間接触部３７により導電可能に接触している。この結果、高温超電導コイル３０を、巻線ターンが電気的に導通された無絶縁コイルとして構成することができる。
　（８）図８に示すように、高温超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０の各巻線ターンが樹脂３３により固着されると共に、高温超電導導体１０の隣接する巻線ターン間に、導電材料から構成された電気導通部材３８が高温超電導導体１０に接触して配置されている。この電気導通部材３８を適切に選択することで、高温超電導導体１０の巻線ターン間の電気抵抗値が容易に変更できるので、高温超電導コイル３０の無絶縁コイルとしての機能性を高めることができる。
　［Ｃ］第３実施形態（図９～図１３）
　図９は、本発明に係る高温超電導コイルの接続構造における一実施形態を示し、（Ａ）が縦断面図、（Ｂ）が横断面図である。この図９に示す高温超電導コイルの接続構造４０は、第２実施形態の高温超電導コイル３０における高温超電導導体１０の長手方向端部と金属導体４１とを、高温超電導銀シース線材（以下、銀シース線材４２と称する）を介して電気的に接続する構造である。
　つまり、高温超電導コイル３０を構成する高温超電導導体１０の長手方向端部に、この高温超電導導体１０と平行して銀シース線材４２が半田４３を用いて電気的に接続され、この銀シース線材４２に、半田４３を用いて金属導体４１が電気的に接続されて接続構造４０が構成される。このとき、高温超電導コイル３０の高温超電導導体１０と銀シース線材４２との接続長Ｌ１は、銀シース線材４２と金属導体４１との接続長Ｌ２よりも長く設定されて、高温超電導導体１０と金属導体４１との接続長が銀シース線材４２により実質的に長くなっている。
　銀シース線材４２は、薄膜線材１１と同様にテープ形状であるが、その内部構造は薄膜線材１１とは大きく異なる。つまり、銀シース線材４２は、薄膜線材１１のような積層構造ではなく、母材である銀マトリクス４４中に高温超電導フィラメント４５が埋め込まれて混在した構造になっている。実用化された銀シース線材４２の高温超電導フィラメント４５の材質としては、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０が用いられる。また、銀シース線材４２は、図１０に示すように、その表面及び裏面に補強材４６が、例えばろう材２２によって固着されて補強されたものを用いてもよい。
　半田４３の材質としては、錫や錫合金またはインジウムやインジウム合金等の低融点金属が好適である。高温超電導導体１０と銀シース線材４２との接続、銀シース線材４２と金属導体４１との接続には、製造上の容易さ等を踏まえて異なる材質の半田４３を用いてもよい。
　金属導体４１は、例えば、図１１に示すような、高温超電導導体１０を巻き始めるために巻枠４７に固定された口出し用電極４１Ａ、図１２に示すような、巻終わり部において電流を導入するための口出し用電極４１Ｂ、または、図１３に示すようなパンケーキコイル３１間の接続導体４１Ｃである。金属導体４１の材質としては、銀や銅などの低抵抗金属が用いられるが、薄膜線材１１や銀シース線材４２が金属導体４１として用いられてもよい。
　仮に、高温超電導導体１０の外表面と金属導体４１とを銀シース線材４２なしで直接電気的に接続した場合、高温超電導導体１０の外表面が薄膜線材１１の金属基板１２側の安定化層１７の面１８であるため、電流２１は、薄膜線材１１の数十μｍ程度の薄い安定化層１７を通って高温超電導層１４に流れる。このため、通常の薄膜線材１１で行うように薄膜線材１１の高温超電導層１４側の安定化層１７に金属導体４１を直接接続した場合と比較すると、銀シース線材４２なしで高温超電導導体１０の外表面と金属導体４１とを直接接続した場合には、電流２１が流れる距離が長く、且つ断面積が小さくなるため、高温超電導導体１０と金属導体４１との接続部の電気抵抗が高くなり、発熱が大きくなってしまう。
　この銀シース線材４２なしで高温超電導導体１０と金属導体４１とを接続した場合、接続長を数百ｍｍから１ｍ程度まで長くすれば、低い電気抵抗値で接続することが可能である。ところが、口出し用電極４１Ａ、４１Ｂや接続導体４１Ｃで用いられる金属導体４１は、寸法や製造上の制約等により、通常１００ｍｍ程度以上の長さにすることが困難である。
　これに対し、本第３実施形態における高温超電導コイルの接続構造４０であれば、銀シース線材４２は長手方向の電気抵抗がほぼゼロであると共に、銀シース線材４２の裏面と表面を貫通する方向（厚さ方向）にも、母材である銀マトリクス４４を通して低い電気抵抗で電流２１を流すことができる。このため、高温超電導コイル３０の高温超電導導体１０と金属導体４１との接続において、銀シース線材４２によって実質的な接続長が長くなり、低い電気抵抗値で電気的に接続することが可能になる。
　以上のように構成されたことから、本第３実施形態によれば、次の効果（９）を奏する。
　（９）高温超電導コイル３０の高温超電導導体１０の長手方向端部が銀シース線材４２を介して金属導体４１に接続され、このとき、高温超電導導体１０と銀シース線材４２との接続長Ｌ１が、銀シース線材４２と金属導体４１との接続長Ｌ２よりも長く設定されて、銀シース線材４２により、高温超電導コイル３０の高温超電導導体１０と金属導体４１との実質的な接続長が長くなっている。この結果、高温超電導導体１０と金属導体４１とを低い電気抵抗値で接続できるので、この接続部での発熱を抑制できる。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１０…高温超電導導体、１１…薄膜線材、１２…金属基板、１３…中間層、１４…高温超電導層、１５…積層体、１６…保護層、１７…安定化層、１８…金属基板側の面、１９…高温超電導層側の面、２０、２３…導電性結合部材、２４…固着防止部材、３０…高温超電導コイル、３３…樹脂、３７…ターン間接触部、３８…電気導通部材、４０…高温超電導コイルの接続構造、４１…金属導体、４２…銀シース線材、４４…銀マトリクス、４５…高温超電導フィラメント、４７…巻枠、Ｌ１、Ｌ２…接続長。

Claims (8)

  1. 可撓性で且つテープ状の金属基板の片側面に中間層を介して高温超電導層が積層されて積層体が形成され、この積層体の周囲に保護層を介して安定化層が設けられて薄膜線材が形成され、この薄膜線材が厚さ方向に複数配置されて構成された高温超電導導体であって、
    　複数の前記薄膜線材は、最も外側に配置される前記薄膜線材が前記金属基板側の面を外側に向けて位置づけられ、前記高温超電導層側の面が対向する面と非固着状態に保持され、幅方向両端部が導電可能な状態で長手方向に亘って結合されて構成されたことを特徴とする高温超電導導体。
  2. 前記薄膜線材における高温超電導層側の面とこの面に対向する面との間に、これら両面の固着を防止するための固着防止部材が介在されたことを特徴とする請求項１に記載の高温超電導導体。
  3. 請求項１に記載の高温超電導導体が巻き回されて構成されたことを特徴とする高温超電導コイル。
  4. 前記高温超電導導体の各巻線ターンが、絶縁性の樹脂の含浸により固着して構成されたことを特徴とする請求項３に記載の高温超電導コイル。
  5. 前記高温超電導導体の隣接する巻線ターンが、ターン間接触部により導電可能に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の高温超電導コイル。
  6. 前記高温超電導導体の隣接する巻線ターン間に、導電材料から構成された電気導通部材が前記高温超電導導体に接触して配置されたことを特徴とする請求項３に記載の高温超電導コイル。
  7. 請求項３に記載の高温超電導コイルを構成する高温超電導導体の長手方向端部が、銀マトリックス中に高温超電導フィラメントが埋め込まれて構成された銀シース線材を介して、金属導体に接続されるよう構成されたことを特徴とする高温超電導コイルの接続構造。
  8. 前記高温超電導導体と銀シース線材との接続長が、前記銀シース線材と金属導体との接続長よりも長く設定されたことを特徴とする請求項７に記載の高温超電導コイルの接続構造。
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