WO2008013043A1 - Fil supraconducteur, conducteur supraconducteur et câble supraconducteur - Google Patents

Description

明 細 書

超電導線材、超電導導体および超電導ケーブル

技術分野

[0001] 本発明は、超電導線材、超電導導体および超電導ケーブル、特に、交流損失の低 Vヽ加工された超電導線材、超電導導体および超電導ケーブルに関する。

背景技術

[0002] 一般に、高温超電導ケーブルの線材として、 Bi (ビスマス）系銀シース超電導線材と Y (イットリウム)系薄膜超電導線材が知られている。 Bi系銀シース超電導線材は、外 部磁界が印加されると、臨界電流密度が急激に低下するという問題がある。特許文 献 1には、 Bi系銀シース超電導線材を用いた超電導ケーブルにおいて、円筒状のフ ォーマの外周に同一断面寸法の複数本のテープ状の 系銀シース超電導線材を、 全ての層において隣接する超電導線材間の円周方向の隙間がなくなるように多層卷 きすることによって、超電導線材の幅広面に対して垂直方向に印加される磁界成分 を小さくし、臨界電流の劣化と交流損失を小さくすることが記載されている。

[0003] 一方、 Y系薄膜超電導線材は、外部磁界に対して強ぐ強磁界内でも高い電流密 度を維持することができるため、超電導ケーブル等の交流電力機器への応用が期待 されて ヽる。また Y系薄膜超電導線材は金属基板に YBCOの薄膜を蒸着させて形 成されており、薄膜で高い電流密度を備えているので、素線レベルで Bi系銀シース 超電導線材よりも交流時に発生する損失 (交流損失)の低下が期待できる。

[0004] Y系薄膜超電導線材は超電導材料の厚さが非常に薄いため、テープ線材の幅広 面に平行な磁界成分による交流損失はほとんど発生しな 、ことがわ力つて 、る。よつ て、 Y系薄膜超電導線材による理想的な超電導ケーブルは、 Y系薄膜超電導線材が 隙間無く配置されている構造であり、この場合には、自己磁界が導体周方向成分に しか無ぐ交流損失を劇的に下げることができる。究極的には、図 8に示すように断面 円形（円筒形)が望ましい。この形状に近づけるには有限の幅を有する Y系薄膜超電 導線材をより細線化して、より頂点数の多い多角形にすればよいことが判明している 特許文献 1：特開平 9 - 190727号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] しかし、この方法によると実際に超電導ケーブルを製作する上で問題点が生じる。

例えば、製造時の設備が過大になること、製造時に超電導線材間のギャップ長を一 定にする設定が難しいこと等である。また、実際の超電導ケーブルにおいては、超電 導線材間に必ず隙間が生じて、隣接する超電導線材間で自己磁界による垂直磁界 のキャンセルが出来ない。また、 Bi系銀シース超電導線材および Y系薄膜超電導線 材ともに、素線レベルの超電導線材に流れる電流容量には限界があるため、電流容 量を上げるためには超電導線材を複数本束ねた集合導体を形成する必要がある。 集合導体を形成するときには、 Y系薄膜超電導線材は加工せずに使用すると、超電 導線材の集合ィ匕に起因する損失によって、その特性のよさが失われてしまい、 Bi系 銀シース超電導線材と同レベルの損失が発生してしまう。よって、 Y系薄膜超電導線 材を用いた導体製作には、 Bi系銀シース超電導線材よりも高精度な製作精度が要 求される。

[0006] 本発明の課題は、交流損失の低!ヽ加工された超電導線材、超電導導体および超 電導ケーブルを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007] 発明者は、上述した従来の問題点を解決するため、鋭意研究を重ねた。その結 果、基板の上に、少なくとも超電導薄膜、安定化膜が順次形成された超電導線材に 、その長軸方向に沿って、相互に平行な複数本の切りこみを形成し、切りこみにおい て、円筒形の外周面に沿って幅方向に折り曲げが可能なように超電導線材を形成す ると、自己磁界が外周面に沿った方向成分だけになり、交流損失を劇的に低下させ ることが判明した。この発明は、上述した研究成果に基づきなされたものである。

[0008] この発明の超電導線材の第 1の態様は、所定幅および所定の長さを有する基板の 上に、少なくとも超電導薄膜、安定化膜が順次形成された超電導線材であって、前 記超電導線材の長手方向に沿って形成された少なくとも 1本の切りこみを備え、前記 切りこみにおいて幅方向に折り曲げ可能な超電導線材である。このように 1本の超電 導線材を完全に切り離して分割することなぐ切りこみを入れて折り曲げ可能とするこ とで、超電導線材を容易に配置することができる。

なお、基板の種類によっては基板上に中間層を形成した後に超電導薄膜を形成す る必要があるが、中間層の働きとしては基板と超電導薄膜が相互拡散して超電導薄 膜の組成が化学量論組成カゝらずれるのを防ぐために設けられるため、必ずしも形成 する必要がある訳ではな 、。

[0009] この発明の超電導線材の第 2の態様は、前記超電導薄膜が、 RE系超電導材料か らなっており、前記切りこみは前記長手方向に周期的に形成された切り分け部、残存 部からなっており、前記切りこみの複数本が幅方向に等間隔で相互に平行に形成さ れている超電導線材である。ここで、 REは希土類元素であり、 RE系超電導材料は Y 、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Luから選ばれる 1種類または 2種類以 上の元素力もなる超電導材料である。

[0010] この発明の超電導導体の第 1の態様は、円筒形状物と、

所定幅および所定の長さを有する基板の上に、少なくとも超電導薄膜、安定化膜が 順次形成され、長手方向に沿って、相互に平行な複数本の切りこみが形成され、前 記切りこみにおいて幅方向に折り曲げられて前記円筒形状物の外周面に沿って配 置された超電導線材とからなる導体構造を備えた超電導導体である。

[0011] この発明の超電導導体の第 2の態様は、前記超電導薄膜が、 RE系超電導材料か らなっており、前記切りこみが前記長手方向に周期的に規制された切り分け部、残存 部からなっており、前記切りこみの複数本が幅方向に等間隔で相互に平行に形成さ れている超電導導体である。ここで、残存部は切りこみが全く入っていない状態また は、少なくとも安定ィ匕膜、超電導膜が切り分けられている状態の部分のことを指す。

[0012] この発明の超電導導体の第 3の態様は、前記超電導線材が前記切りこみにおいて 前記円筒形状物の外周面に沿って幅方向に折り曲げられていることを特徴とする超 電導導体である。

[0013] この発明の超電導導体の第 4の態様は、前記超電導線材の上面、下面の何れか 1 つの面、または、両面に良導体が形成されている、超電導導体である。

[0014] この発明の超電導導体の第 5の態様は、前記超電導線材は複数本からなっており 、前記複数本の超電導線材が前記円筒形状物の外周面に沿って、幅方向に所定間 隔で隣接して配置されている、超電導導体である。

[0015] この発明の超電導導体の第 6の態様は前記超電導線材の間の前記所定間隔が 2 mm未満である、超電導導体である。

[0016] この発明の超電導導体の第 7の態様は、前記超電導線材間に少なくとも 1つの細 線化された別の超電導線材を備えた、超電導導体である。

[0017] この発明の超電導導体の第 8の態様は、前記別の超電導線材は、前記超電導線 材と同一の超電導構造を備えている、超電導導体である。

[0018] この発明の超電導ケーブルの第 1の態様は、前記超電導導体の外周に電気絶縁 層、保護層および断熱管を有している、超電導ケーブルである。

発明の効果

[0019] 基板の上に、少なくとも超電導薄膜、安定化膜が順次形成された超電導線材を、そ の長軸方向に沿って、相互に平行な複数本の切りこみを形成し、切りこみにおいて、 円筒形の外周面に沿って幅方向に折り曲げが可能なように超電導線材を形成する ので、自己磁界が外周面に沿った方向成分だけになり、交流損失を劇的に低下させ ることができる。その結果、 RE系超電導線材による理想的なケーブルである、 RE系 超電導線材が隙間無く配置されている構造に近づけることが出来る。

[0020] この発明の超電導線材、超電導導体および超電導ケーブルによると、超電導線材 に加工を施すことによって、製造時の設備が過大にならず、ギャップ長も簡単に決め られ、細線ィ匕した場合と同様の効果を得ることができる。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]図 1は、本発明の超電導線材を説明する図である。

[図 2]図 2は、切りこみが形成された本発明の超電導線材を説明する平面図である。

[図 3]図 3は、本発明の超電導導体の断面を説明する図である。

[図 4]図 4は、本発明の所定間隔 (ギャップ長)を説明する図である。

[図 5]図 5は、本発明の他の態様の超電導導体の断面を示す図である。

[図 6]図 6は、本発明の超電導ケーブルを説明する図である。

[図 7]図 7は、本発明の超電導ケーブル (3相）の構造の一例を示す図である。 [図 8]図 8は、理想的な Y系の超電導体を示す図である。

[図 9]図 9は、理論モデルとして、 Norrisの stripモデルを使用して、考えたモデルを示 す概念図である。

[図 10]図 10は、モデルの交流損失を示すグラフである。

[図 11]図 11は、モデル 1、即ち、従来の超電導線材を直径 20mmの円筒形状物の 長軸に沿って外周面に等間隔で配置した断面図である。

[図 12]図 12は、モデル 2、即ち、切り離された超電導線材を直径 25mmの円筒形状 物の長軸に沿つて外周面に等間隔で配置した断面図である。

[図 13]図 13は、モデル 3、即ち、切りこみが形成された超電導線材を直径 21mmの 円筒形状物の長軸に沿って外周面に等間隔に配置した断面図である。

[図 14]図 14は、モデル 4、即ち、切りこみが形成された超電導線材を直径 20mmの 円筒形状物の長軸に沿って外周面に等間隔に配置した断面図である。

[図 15]図 15は、モデル 5、即ち、切りこみが形成された超電導線材を直径 19mmの 円筒形状物の長軸に沿って外周面に等間隔に配置した断面図である。

[図 16]図 16は、モデル 1から 5の特性を示すグラフである。

[図 17]図 17は、従来の超電導線材を使用した場合を説明する図である。

符号の説明

1 本願発明の超電導線材 (切りこみは省略）

2 基板

3 中間層

4 超電導薄膜

5 安定化膜

6 切りこみ

7 切り分け部

8 残存部

9 別の超電導線材

10 超電導導体

11 円筒形状物 20 超電導ケーブル (超電導線材間の所定間隔は省略）

21 電気絶縁層

22 保護層

23 内管

24 断熱材

25 外管

26 超電導シールド層

100 切りこみの形成されていない超電導線材

101 切り離された超電導線材

110 円筒形状物

発明を実施するための最良の形態

[0023] 以下に、本発明の超電導線材、超電導導体および超電導ケーブルを、図面を参照 しながら詳細に説明する。

上述したように、 RE系超電導線材による理想的なケーブルは、 RE系超電導線材 が隙間無く配置されている構造で、究極的には円筒（断面円形)形状である。この形 状に近づけるには有限の幅を有する超電導線材をより細線ィ匕して、より頂点数の多 い多角形にすればよいことが判明している。しかし、この方法によると実際に製作する 上で問題点が生じる。例えば、超電導線材を切り分けるのには設備が必要であること 、製造時の設備が過大になること、製造時のギャップ長を一定にする設定が難しいこ と等である。一方では、交流損失の低減にはギャップが無いことが望ましいが、超電 導ケーブルは製造中ゃ布設時、出荷時には曲げるので、このときには線材ギャップ が必要であり、線材間のギャップ長のコントロールが必要である。

[0024] この発明の超電導線材 1は、図 1に示すように、基板 2 (例えば、ハステロィ (登録商 標)）の上に、中間層 3、超電導薄膜 4 (例えば、丫8じ0)、安定ィ匕膜5 (例ぇば、銀)が 順次形成された超電導線材であり、このように形成された超電導線材 1の長手方向 に沿って、図 2に示すように、相互に平行な複数本の切りこみ 6が形成される。なお、 超電導線材 1において、基板 2の種類によって中間層 3は必要ない場合もある。また 、図 1では図示しないが、超電導線材 1の上面、下面の何れか 1つの面、または、両 面に銅等の良導体を形成してもよ ヽ。

切りこみ 6は、切り分け部 7、残存部 8からなつており、切り分け部 7と残存部 8が長手 方向に周期的にあらわれるように形成され、そして、複数本の切りこみ 6が幅方向に 等間隔で形成されている。

[0025] 切りこみ 6は、例えば、 YAG (Yittrium Aluminium Garnet)レーザ処理、また は、刃の無い部分を備えた回転刃によって行う。レーザは YAGレーザの他にフアイ バレーザ、 C02レーザ等を用いてもよい。なお、レーザの切りこみ方法としては、レー ザの ONZOFFによる方法とレーザの高出力 Z低出力による方法がある。レーザの ONZOFFによる方法では、レーザは、安定ィ匕膜 5側力 入射し、 ON時には安定ィ匕 膜 5、超電導薄膜 4、中間層 3、基板 2のすベてを切り分け、切り分け部 7を形成し、 O FF時は全く切りこみ 6を入れずに、残存部 8を形成する。また、レーザの高出力 Z低 出力による方法では、レーザは、安定ィ匕膜 5側力も入射し、高出力時には安定ィ匕膜 5 、超電導膜 4、中間層 3、基板 2のすベてを切り分け、低出力時には少なくとも安定ィ匕 膜 5、超電導膜 4を切り分け、少なくとも基板 2の一部は残すものとする。切り分け部 7 、残存部 8の長さは、例えば、切り分け部 7が 9. 5mm,残存部 8が 0. 5mmである。

[0026] 図 2 (a)は平行な 2本の切りこみ 6の切り分け部 7と残存部 8がそれぞれ同じように並 ぶように形成されており、（b)は、平行な 2本の切りこみ 6の切り分け部 7と残存部 8が 互い違いに形成されている。図 2 (b)のように、複数の切りこみ 6の残存部 8の位置を 必ずしも合わせる必要はなぐ図 2に示す切りこみ 6は、一例であって、切り分け部 7 および残存部 8はともに、これ以上に長くしてもよぐ基板 2の種類等によって適宜設 定を行えばよい。何れにしても、切り分け部 7、残存部 8が周期的に現われる切りこみ 6を形成することによって、円筒形状物 11の外周面部に沿って、幅方向に折り曲げる ことができることが重要である。

[0027] この発明の超電導導体 10の 1つの態様は、円筒形状物 11と、所定幅および所定の 長さを有する基板 2の上に、少なくとも超電導薄膜 4、安定化膜 5が順次形成され、長 軸方向に沿って、相互に平行な複数本の切りこみ 6が形成され、前記切りこみ 6にお V、て幅方向に折り曲げられて前記円筒形状物 11の外周面に沿って配置された超電 導線材 1とからなる導体構造を備えた超電導導体 10である。切りこみ 6が形成され幅 方向に折り曲げ可能な超電導線材 1が複数本からなっており、複数本の超電導線材 1が前記円筒形状物 11の外周面に沿って、幅方向に所定間隔で隣接して配置され ている。所定間隔は超電導線材 1間のギャップ長とも言い、正確には隣り合う超電導 薄膜 4間の距離を指す。なお、ここでのギャップ長 (所定間隔）は、超電導薄膜 4の間 隔の平均値である。

[0028] 図 3は、この発明の超電導導体 10の断面を説明する図である。図 3に示すように、 良導体である例えば直径 20mmの銅の円筒形状物 11の外周面に、切りこみ 6を形 成し幅方向に折り曲げた複数本（図 3では 6本、幅 10mm)の超電導線材 1が円筒形 状物 11の長軸方向に沿って、その外周面上に平行におおよそ等間隔で配置される 。超電導線材 1間のギャップ長は 0. 61mmである。本明細書において、ギャップ長（ 所定間隔)とは、図 4に示すように隣り合う超電導線材 1の超電導薄膜 4間の距離を 言い、円筒形状物 11の直径や基板 2や中間層 3の厚さ、切りこみ 6の幅を制御するこ とによってコントロールすることができる。各超電導線材 1には、図 2に示すような等間 隔で 2本の切りこみ 6が形成されている。切りこみ 6は切り分け部 7、残存部 8が周期的 にあらわれる点線状の切りこみ 6である。このように切りこみ 6が形成された超電導線 材 1がそれぞれ 0. 61mmのギャップ長で円筒形状物 11の外周面上に並列配置され ている。折り曲げられた超電導線材 1の基板 2は、円筒形状物 11の外周面に基板 2 の面の一部分が接して配置されて 、る。

[0029] この発明の超電導導体 10の他の 1つの態様は、超電導線材 1間に少なくとも 1つの 細線ィ匕された別の超電導線材 9を備えた超電導導体 10である。即ち、複数本の超電 導線材 1の所定間隔を極小にするために、切りこみ 6が形成された超電導線材 1とは 別に、超電導線材 1間に配置する別の細線化された超電導線材 9を準備して、超電 導線材 1間のギャップ長を調整する。

[0030] 図 5は、この発明の他の態様の超電導導体 10の断面を示す図である。図 5に示す ように、良導体である例えば直径 21mmの銅の円筒形状物 11の外周面に、切りこみ 6を形成し幅方向に折り曲げた複数本 (図 5では 6本、幅 10mm)の超電導線材 1が 円筒形状物 11の長軸方向に沿って、その外周面上に平行に配置される。この態様 では、超電導線材 1間のギャップ長を 0. 54mmにするために、幅 3. 33mmの細線 化された別の超電導線材 9が、超電導線材 1の間に挿入されている。この態様にお いても、各超電導線材 1には、図 2に示すような等間隔で 2本の切りこみ 6が形成され ている。切りこみ 6は切り分け部 7、残存部 8が周期的にあらわれる点線状の切りこみ である。

[0031] このように切りこみ 6が形成された超電導線材 1がそれぞれ 0. 54mmのギャップ長 で円筒形状物 11の外周面上に並列配置されるように、残りの間隙部分に上述した幅 3. 33mmの細線ィ匕された別の超電導線材 9が挿入配置されている。この態様にお いても、折り曲げられた超電導線材 1と別の超電導線材 9の基板 2は、円筒形状物 11 の外周面にその全面が接して配置されて ヽる。上述した細線化された別の超電導線 材 9は、図 1、図 2を参照して説明した、基板 2の上に、少なくとも超電導薄膜 4、安定 化膜 5が順次形成され、切りこみ 6が形成された超電導線材 1と同一の超電導構造を 備えている。このように所定のギャップ長になるように、細線化した別の超電導線材 9 を使用して、調整することができる。その詳細は実施例によって後述する。

[0032] 図 6は、この発明の超電導ケーブルを説明する図である。超電導ケーブル 20は、 金属製 (例えば銅製)の円筒形状物 11の周りに超電導線材 1をらせん状に巻き付け て、その上に電気絶縁層 21 (材質は紙若しくは半合成紙）、次いで保護層 22 (例え ば、導電性の紙あるいは銅の編組線力もなる）力 形成されるケーブルコアを可撓性 のある金属製 (例えば、ステンレス製またはアルミニウム製）二重断熱管、即ち、内管 23と外管 25及び内管 23と外管 25の間に配置された断熱材 24からなる二重断熱管 の中に収納されている。

[0033] 図 7は、この発明による超電導ケーブル（3相）の構造の一例を示す図である。図 7 に示すように、超電導ケーブル 20の構造は、金属製 (例えば銅製)の円筒形状物 11 の周りに超電導線材 1がらせん状に巻き付けられ、その上に電気絶縁層 21 (材質は 紙若しくは半合成紙）、次いで超電導シールド層 26、その上に保護層 22 (例えば、 導電性の紙ある!/、は銅の編組線カゝらなる）が形成されたケーブルコアが可撓性のあ る金属製 (例えば、ステンレス製またはアルミニウム製）二重断熱管の中に配置された 構造である。二重断熱管は内管 23と外管 25及び内管 23と外管 25の間に配置され た断熱材 24からなる。また、この二重断熱管の外側に更に防食層を設けてもよい。こ こで、超電導シールド層 26をなす導体は特に限定はされないが、好ましくは超電導 線材 1と同様の超電導線材を用いることが望ましい。図 6では超電導シールド層を有 していなかったが、図 7と同様に超電導シールド層 26を有していることが望ましい。超 電導シールド層 26を有することにより、漏れ磁界が非常に小さい超電導ケーブル 20 を形成することができる。

[0034] 以下に、この発明の超電導線材および超電導導体を実施例および比較例によって 更に詳細に説明する。

この発明の超電導線材 1、例えば、 10mm幅の超電導テープは、完全に切り分ける のではなぐ図 2に示すように点線状に切りこみを形成することによって切り分けてお く部分と残す部分を設ける。このように加工した超電導線材 1は幅方向に折り曲げる ことができる。切りこみ 6の形成は例えばレーザの ONZOFF (OFFのかわりに出力 を落とす)や回転刃の一部に刃のない部分を設けることによって可能になる。このよう に超電導線材 1は切り分けられて 、な 、ので、送り出しと巻き込みのスプールは 1対 1 でよい。

[0035] このような超電導線材 1を図 3のように円筒形状物 11に巻き付けると、円筒形状物 1 1と超電導線材 1からなる超電導導体 10の断面が円形に近い形となり、超電導線材 1 の垂直磁界の影響を小さくすることができる。ここで、理想的な RE系の超電導体の形 状を図 8に示す。なお、交流損失は、 1本の超電導線材 1に形成した切りこみ 6の数 に応じて低減する。即ち、形成した切りこみ 6の数が多いほど交流損失は低減する。

[0036] また、超電導導体 10の断面形状が円形に近づくことで、超電導線材 1間のギャップ 長も小さくなる。従来の超電導線材を使用した場合には、図 17に示すように超電導 線材 100間のギャップ長は 1. 44mmであるが、この発明の切りこみ 6が形成された超 電導線材 1を使用すると、超電導線材 1間のギャップ長は 0. 61mmに減少させること ができる。この発明における円筒形状物 11の周りに超電導線材 1を巻き付けるため に必要な設備は、切りこみ 6が形成されて ヽな ヽ従来の超電導線材 100の場合に使 用する設備と全く同じであり、超電導線材 1間のギャップ長も簡単に決めることができ る。

[0037] 超電導線材 1間のギャップの大きさは、 2mm未満の場合に交流損失低減効果が生 じるので、 2mm未満が好ましい。交流損失低減のためには、超電導線材 1間のギヤ ップ長は小さければ小さいほど好ましぐギャップ長が Ommとなってもよい。例えば、 0. 5mmのギャップ長では、ギャップ長が無限大のときに対して交流損失を約 1Z2 に低減することができ、 0. 1mmのギャップ長で、ギャップ長が無限大のときに対して 交流損失を約 1Z10に低減することが期待できる。

[0038] なお、上述した超電導線材 1に形成された幅方向の切りこみ 6の数が多ければ多い ほど、交流損失低減に有効である。更にその上、超電導線材 1間のギャップ長を小さ くすることで、切りこみ 6とギャップ長の相乗効果によって、交流損失を大きく低減する ことが出来る。

[0039] 以下に、この発明の超電導線材 1の効果をモデル試作と理論によって確認した。

理論モデルとして、図 9に示す Norrisの stripモデルを使用した。図 9において、各モ デルのギャップ長は有限長である力 Norrisの stripモデルの計算上では、ギャップ長 は無限大であり、隣接している超電導線材同士による影響は無視している。図 10に これらの交流損失を示す。図 10において、縦軸は臨界電流 (Ic)の 2乗で規格ィ匕した 通電ロス、横軸は臨界電流 (Ic)で規格化した通電電流 (It)を示す。図 10の横軸と縦 軸は Ic (臨界電流）の依存性をなくすために、それぞれ規格化している。横軸は通電 電流 (Arms)のピークを Icで割っており、縦軸は Icの 2乗で割っている。これは理論モ デルの交流損失が Icの 2乗に比例するためである。

[0040] 図 10によると、交流損失は、 lstripに比べて 6stripは 1Z6になっており、 18stripは

1Z18になっている。し力し、究極的な円筒形の理論式は、 mono-block modelで与 えられ、直径 20mmで薄さ 1ミクロン超電導の円筒モデルを仮定すると、 6stripの約 1 Z1000である。この乖離は Norrisの stripモデルがテープ間のギャップ長を無限大に しているためである。

[0041] 上述した理論と比較するためにモデルを実際に作成した。

超電導線材 1として 10mm幅の超電導線材 1を 6本使用し、それぞれ以下に示すモ デル 1からモデル 5を作成した。なお、ここでモデル 1は従来例、モデル 2は比較例、 モデル 3〜 5は本発明の実施例である。

[0042] モデル 1は、図 11に示すように、切りこみ 6の形成されて!、な!/ヽ従来の超電導線材 100を直径 20mmの円筒形状物 110の長軸に沿って外周面に等間隔で配置したも のである。そのときの超電導線材 1間のギャップ長は 1. 44mmであった。

モデル 2は、各超電導線材 100を、 2本のレーザ処理によって完全に切り離して、 3 分割した。その結果、合計 18本の切り離された超電導線材 101を得た。図 12に示す ように、これらの切り離された超電導線材 101を直径 25mmの円筒形状物 110の長 軸に沿って外周面に等間隔で配置した。このときの切り離された超電導線材 101間 のギャップ長は 1. 09mmであった。

[0043] モデル 3は、各超電導線材 1に対して、 2本の点線状の切りこみ 6を形成した。この 切り込み 6の形成は YAGレーザ ONZOFFを使用し、 9. 5mmの長さの切り分け部 7、 0. 5mmの残存部 8を周期的に形成して行った。このときのレーザ径は 100ミクロ ンであった。このように切り分け部 7と残存部 8からなる切りこみ 6が形成された超電導 線材 1を、図 13に示すように、直径 21mmの円筒形状物 11の長軸に沿って外周面 に等間隔に配置した。そのときの超電導線材 1間のギャップ長は 1. 13mmであった

[0044] モデル 4は、各超電導線材 1に対して、 2本の点線状の切りこみ 6を形成した。切りこ み 6の形成はモデル 3と同一である。このように切りこみ 6が形成された超電導線材 1 を、図 14に示すように、直径 20mmの円筒形状物 11の長軸に沿って外周面に等間 隔に配置した。そのときの超電導線材 1間のギャップ長は 0. 61mmであった。

モデル 5は、各超電導線材 1に対して、 2本の点線状の切りこみ 6を形成した。切りこ み 6の形成はモデル 3と同一である。このように切りこみ 6が形成された超電導線材 1 を、図 15に示すように、直径 19mmの円筒形状物 11の長軸に沿って外周面に等間 隔に配置した。そのときの超電導線材 1間のギャップ長は 0. 09mmであった。

[0045] モデル 1から 5の特性を図 16に示す。図 16において、縦軸は臨界電流（Ic)の 2乗 で規格化した通電ロス、横軸は臨界電流 (Ic)で規格ィ匕した通電電流 (It)を示す。図 16から明らかなように、超電導線材のギャップ長が小さくなるほど規格ィ匕通電ロスが 小さくなつている。即ち、モデル 1から 3の結果は、分割の理論モデルと良く一致して おり、モデル 2とモデル 3は、殆ど等しい特性を示していることから、超電導線材に点 線状の切りこみ 6を形成した場合と、超電導線材を完全に切り離した場合と同様な効 果が得られることが示されている。しかし、モデル 2では、超電導線材が 18本に完全 に切り離されている（それぞれをリールとも呼ぶ）ので、切り離された超電導線材 101 間のギャップ長を一定に保つことが難 、。

[0046] これに対して、モデル 3は切りこみ 6が形成された超電導線材 1を使用したものであ つて、超電導線材 1は完全に切り離されていないので、リールの数は、元の超電導線 材の数である 6本であり、超電導線材 1間のギャップ長の調整が容易に行われる。 また、モデル 3、 4、 5は、ギャップ長の効果 (即ち、ギャップが小さくなるほど交流損 失が低減する）を現しており、ギャップ長が 0. 61mmであるモデル 4は、ギャップ長が 1. 13mmであるモデル 3に比べて 2Z3〜lZ2に低減しており、ギャップ長が 0. 09 mmであるモデル 5は、ギャップ長が 1. 13mmであるモデル 3に比べて 1Z5〜1Z1 0低減して 、る。モデル 5は最も小さ 、交流損失であることが確認できた。

[0047] 更に、交流損失を低減する方法について説明する。

一般的に、超電導線材の幅は一定値 (この場合は 10mm)と決まっているので、超 電導線材間のギャップ長 (ギャップの大きさ）は、超電導線材を巻き付ける円筒形状 物 11の径に依存する。例えば、ギャップ長が 1. 13mmであるモデル 3、ギャップ長が 0. 6 lmmであるモデル 4においては、交流損失は 2 3〜1 2程度異なる力 モデ ル 3においては、超電導線材を更に 1本増やすことができないので、ギャップ長を小 さくすることができず、交流損失低減を期待できない。

[0048] 電流容量を増やすためには、超電導線材を径方向に多層にするため、上述したよ うに超電導線材を卷きつける径が変動する状況が頻繁に起こりうる。そこで、超電導 線材 1に切りこみ 6を形成する他に、完全に切り離した細線の超電導線材 9を予め用 意しておく。この完全切り離しは、レーザ処理によって簡単に得ることができる。例え ば、レーザによって超電導線材 1を完全に切り離すと、 3. 33mm幅の超電導線材 9 力 S3本得られる。

[0049] モデル 3において、幅 3. 33mmの超電導線材 9を 1本追加すると、超電導線材 1同 士の間及び超電導線材 1と別の超電導線材 9間のギャップ長は 0. 54mmとなり、ギ ヤップ長が 0. 61mmであるモデル 4と同等の交流損失の低減が実現できる。

[0050] 上述したように、図 5は細線の超電導線材に切りこみ 6を形成した超電導線材 1の 間に超電導線材 9を挿入した状態を示す図である。図 5に示すように、切りこみ 6を形 成した 6本の超電導線材 1の間に 1本の幅 3. 33mmの別の超電導線材 9を挿入して いる。図 5に示す黒い部分が新たに挿入された幅 3. 33mmの別の超電導線材 9で ある。この細線を挿入することによって、超電導線材 1, 9間のギャップ長を 0. 54mm にすることができる。このように、超電導線材を巻き付ける円筒形状物 11の径が変わ つても、超電導線材間のギャップ長が小さくなるように超電導線材 9を挿入して、交流 損失を低減することができる。

さらに、超電導線材をスパイラルに巻いて導体を作成する場合、ギャップ長は簡単 には決まらない。これは、スパイラルピッチによっても巻きつけられる線材数が異なる ためである。通常、このようなスパイラル卷きをするのは、曲げなどに対して機械的強 度を上げるためである。ここで、参考として、図 12のモデル 2と同様に、 3. 33mm幅 の切り離された超電導線材 101を円筒形状物 110に卷きつけた場合のギャップ長と 巻き付けピッチの関係を表 1に示す。ただし、モデル 2と異なり、円筒形状物 110は 2 Ommのフォーマである。表 1のようにスパイラルピッチを 200〜300mm以上に長くす ると巻きつけ可能な線材の本数はスノイラルビッチを無限大、つまりスパイラルに卷 かない場合と同数となり、ギャップ長に関しても同様にスノィラルに卷カない場合と同 程度となる。反対に、スパイラルピッチを短くすると巻きつけ可能な線材の本数は減り 、ギャップ長に関しては広くなつてしまう。本発明の超電導線材 1を円筒形状物に対 して同様にスパイラル状に巻く場合でも、この傾向は同様である。

[表 1]

【表 1】

[0052] ただし、電流容量を増加させる点から、一般的に超電導線材を多層にすることが行 われる（図 7参照)。そのため、超電導線材をスパイラル巻きにする場合は、超電導線 材の各層のインダクタンスを調整することによって、スノイラノレピッチを決定する。イン ダクタンスの調整により、ギャップ長は一義的に決定しないが、交流損失低減のため には、可能な限りギャップ長を小さくすることが有効である。

[0053] しかし、図 12のように、切り離された超電導線材 101を使用したスノイラル卷きの超 電導ケーブルでは、ギャップ長を最小限にすると、切り離された超電導線材 101同士 がぶつかりあって、超電導線材 101に歪みが入り、超電導性能を失ってしまったり、 あるいは、線材同士がぶっかり、線材が重なってしまったりする可能性がある。しかし 、図 3のような本発明の超電導線材 1を用いることにより、切り分け部 7によって隣り合 う切り分けられた超電導線材同士がぶつカゝつても、それは超電導線材 1の基板 2であ り、超電導薄膜 4には直接歪みが入らないので、超電導線材 1自体の超電導性能を 失うことはない。また、本発明の超電導線材 1は一体化されている状態の線材のため 、超電導線材同士の重なる可能性はほとんど無いが、ギャップ長が 0. 09mm未満と なった場合には、スパイラル状態に超電導線材 1を巻いた際に隣り合う超電導線材 1 同士がぶつ力つてしまい、超電導特性が劣化してしまう可能性がある。また、ギャップ 長としては、実施例に示したように、 0. 09〜： L 13mmの所定間隔を有していれば、 交流損失をより低減することができる。 [0054] 図 14のように直径 20mmの導体（円筒形状物 11)に 6本の線材を 300mmピッチで スパイラル巻きにした場合、ギャップ長は円筒形状物 11に対してスノ ィラル状に巻き つけていない場合とほぼ同等である。図 6に示すように、本発明の超電導線材 1を導 体（円筒形状物 11)にスパイラル巻きにした超電導ケーブル 20を曲げ直径を lmとし ても臨界電流の劣化は見られず、実用的な超電導ケーブルとして十分な性能を確認 できた。

[0055] 超電導線材 1に切りこみ 6を形成する上述した加工処理は、超電導薄膜 4の厚さが 0. 1〜5 m程度の薄膜超電導線材に有効である。 Bi系銀シース超電導線材のよう に、多数のフィラメントを有する超電導線材に対しては有効とは言えない。 Bi系銀シ ース超電導線材は、 PIT (Powder In Tube)法によって、超電導フィラメントを複数 本シース材に入れて、圧延することで得られている。 PIT法によって得られた個別の 超電導フィラメントの厚さは 10 m程度だ力 電磁気的には他の超電導フィラメントと 結合している状態のため、ほぼ一体と見なされる。そのため、超電導体としての領域 全体で考えると、超電導層としての厚さは 0. 1〜0. 2mm程度となり、薄膜超電導線 材と比べると、交流損失は高くなる。よって、本発明のように切りこみを Bi系銀シース 超電導線材に形成したとしても、交流損失の低減にはつながらない。また、 Bi系銀シ ース超電導線材では、切りこみを形成すると積層した超電導フィラメントを切り込みに よって損傷させることになり、 Icの低下は大きくなる。

[0056] なお、薄膜系超電導線材への本発明の適用として、その上面、下面の両面、また は、何れか 1つの面に、更に銅等の良導体が形成されている超電導線材に対しても 有効である。

また、切りこみを形成しない残存部の長さについては、特に規定は無ぐケーブル 形成後曲げなどの外力により残存部が切れてしまっても、巻きつけ時の超電導線材 のギャップ長が重要であるので、その効果は維持することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 所定幅および所定の長さを有する基板の上に、少なくとも超電導薄膜、安定化膜が 順次形成された超電導線材であって、前記超電導線材の長手方向に沿って形成さ れた少なくとも 1本の切りこみを備え、前記切りこみにおいて幅方向に折り曲げ可能な 超電導線材。

[2] 前記超電導薄膜が、 RE系超電導材料からなっており、前記切りこみは前記長手方 向に周期的に形成された切り分け部、残存部からなっており、前記切りこみの複数本 が幅方向に等間隔で相互に平行に形成されて ヽる請求項 1に記載の超電導線材。

[3] 円筒形状物と、

所定幅および所定の長さを有する基板の上に、少なくとも超電導薄膜、安定化膜が 順次形成され、長手方向に沿って、相互に平行な複数本の切りこみが形成され、前 記切りこみにおいて幅方向に折り曲げられて前記円筒形状物の外周面に沿って配 置された超電導線材とからなる導体構造を備えた超電導導体。

[4] 前記超電導薄膜が、 RE系超電導材料からなっており、前記切りこみが前記長手方 向に周期的に規制された切り分け部、残存部からなっており、前記切りこみの複数本 が幅方向に等間隔で相互に平行に形成されている、請求項 3に記載の超電導導体

[5] 前記超電導線材が前記切りこみにおいて前記円筒形状物の外周面に沿って幅方向 に折り曲げられていることを特徴とする請求項 3または 4に記載の超電導導体。

[6] 前記超電導線材の上面、下面の何れか 1つの面、または、両面に良導体が形成され ている、請求項 3から 5の何れか 1項に記載の超電導導体。

[7] 前記超電導線材は複数本からなっており、前記複数本の超電導線材が前記円筒形 状物の外周面に沿って、幅方向に所定間隔で隣接して配置されている請求項 3から

6の 、ずれか 1項に記載の超電導導体。

[8] 前記超電導線材の間の前記所定間隔が 2mm未満である請求項 7に記載の超電導 導体。

[9] 前記超電導線材間に少なくとも 1つの細線化された別の超電導線材を備えた、請求 項 7または 8に記載の超電導導体。

[10] 前記別の超電導線材は、前記超電導線材と同一の超電導構造を備えて ヽる、請求 項 9に記載の超電導導体。

[11] 請求項 3から 10の何れか 1項に記載の前記超電導導体の外周に電気絶縁層、保護 層および断熱管を有して!/、る超電導ケーブル。