超電導導体及び超電導導体を備えた超電導ケーブル
【課題】超電導線材として、磁性基板上に成膜した超電導線材を使用した、交流損失を低減させることが可能な超電導導体及び超電導導体を備えた超電導ケーブルを提供する。
【解決手段】磁性基板１１を有した超電導線材１０を中心部材３１上に巻きつけて、２層の超電導集合体３２からなる超電導導体３０が形成されるとき、第２層３２ｂの超電導線材１０は超電導層１３を外向きに巻き付けて、第１層３２ａの超電導線材１０は超電導層１３を内向きに巻きつけて形成する。また、２層以上の超電導集合体３２からなる超電導導体３０が形成されるとき、最外層の超電導線材１０は超電導層１０を外向きに巻きつけ、最外層を除く少なくとも1層を形成する超電導線材１０は超電導層１０を内向きに巻きつけて形成する。
【解決手段】磁性基板１１を有した超電導線材１０を中心部材３１上に巻きつけて、２層の超電導集合体３２からなる超電導導体３０が形成されるとき、第２層３２ｂの超電導線材１０は超電導層１３を外向きに巻き付けて、第１層３２ａの超電導線材１０は超電導層１３を内向きに巻きつけて形成する。また、２層以上の超電導集合体３２からなる超電導導体３０が形成されるとき、最外層の超電導線材１０は超電導層１０を外向きに巻きつけ、最外層を除く少なくとも1層を形成する超電導線材１０は超電導層１０を内向きに巻きつけて形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材によって形成される超電導導体及び超電導導体を備えた超電導ケーブルに関する。特に、超電導線材として、磁性基板を用いた超電導線材である配向基板超電導線材を使用した、交流損失を低減させることが可能な超電導導体及び超電導導体を備えた超電導ケーブルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥ１２３系酸化物超電導（ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで示される）は薄膜超電導線材と呼ばれ、金属テープ基板上に、結晶粒の揃ったＲＥ１２３系多結晶膜を数μｍの厚さに設けて超電導化したものである。但し、ＲＥはＬａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ及びＹから選択される。ＲＥ１２３系酸化物超電導のうち、代表的なものとして、Ｙ系超電導線材（以下、Ｙ系線材と呼ぶ）が知られている。Ｙ系線材は、外部磁界に対して強く、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いる。薄膜超電導線材に流れる電流容量には限界があるため、交流電力機器等への応用の際には、電流容量を上げるために、超電導線材を複数本束ねた集合導体を構成する必要がある。
【０００３】
この集合導体は、交流磁界を印加すると交流損失と呼ばれる電力損失を発生する。そのため、この交流損失を低減するための様々な方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１では、２枚のテープ線材を互いに対向させて電気的に接続し、空間で互いに交差する少なくとも２本の電流路を形成することにより、交流損失を低減させる方法が、提案されている。
【０００５】
薄膜超電導線材は、金属基板上に超電導薄膜を成膜することにより得られる。薄膜超電導線材を製作するプロセスには、超電導薄膜を形成できる基体を生成するプロセス（基板と中間層を生成する工程）と、その基体に超電導を形成するプロセス（超電導層を形成する工程）に分けられる。基体を生成するプロセスとして、大きく２つの方法がある。
１つは、特殊な成膜法により中間層を配向させる技術でＩＢＡＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法と呼ばれる技術であり、もう１つは、金属基板（主にＮｉ基を使用した磁性基板）を配向させる技術でＲＡＢｉＴＳ（Ｒｏｌｌｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｂｉ−ａｘｉａｌｌｙ Ｔｅｘｔｕｒｅｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）法と呼ばれる技術である。また、ＩＢＡＤ法によって作成された線材はＩＢＡＤ線材と、ＲＡＢｉＴＳ法によって作成された線材は配向基板線材（配向基板超電導線材）と呼ばれている。
【特許文献１】特開２００５−８５６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したＲＡＢｉＴＳ法は、金属基板が安価であることからコストを低く抑えることができるという大きな利点を持っているが、配向金属として代表的なものはＮｉ基をベースとしたものであり、この場合、金属基板そのものが磁化しているため、ＲＡＢｉＴＳ法により作成した線材を使用して超電導ケーブルを製作して、交流下において使用したときに、非常に大きな交流損失を発生させてしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、磁性基板上に超電導層を形成した超電導線材を使用した超電導導体の交流損失を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者は上述した従来の問題点について鋭意研究を重ねた。その結果、超電導層と磁性基板を有した超電導線材を中心部材上に巻きつけて、２層以上の超電導集合体を形成した超電導導体によって形成された超電導ケーブルにおいて、最外層の前記超電導線材を中心部材の径方向において前記超電導層が前記磁性基板に対して外向きになるように巻きつけることにより、交流損失が低減されることが判明した。更に、最外層の磁性基板を有した超電導線材よりも内層に配置された磁性基板を有した超電導線材のうちの１つを、磁性基板が最外層の超電導線材の磁性基板と対向するように巻きつけることにより、更に交流損失が低減されることが判明した。また、前記超電導集合体の少なくとも１層を磁性基板を有した超電導線材の代わりに、ＩＢＡＤ線材等の磁化していない基板を使用した超電導線材を使用することにより、更に交流損失が低減されることが判明した。
【０００９】
本発明の第１の態様にかかる超電導導体は、円筒形状の中心部材と、基板と、前記基板の上に形成される超電導層と安定化層からなる層部材、または、中間層及び超電導層と安定化層からなる層部材とを備えた超電導線材を、前記中心部材上に巻きつけて形成される少なくとも２層以上の超電導集合体と、を有した超電導導体であって、少なくとも１層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板は、磁性基板であり、最外層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板と、前記最外層を除く少なくとも1層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板が、対向するように配置されていることを特徴とする。ここで、「磁性基板」とは、超電導導体を使用する環境温度（代表的には７７Ｋ）以下において、飽和磁化を有する金属基板のことを意味し、特に、使用時の飽和磁化が０．１５Ｔ以上のものの場合に本発明の効果を発揮する。なお、磁性金属としては、具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等を代表とした強磁性体や、これらを基とした合金が挙げられる。
【００１０】
ここで、「層部材」とは、例えば、超電導線材が、基板、超電導層、安定化層の３層から構成されている場合は、超電導層、安定化層をまとめた総称であり、超電導材が、基板、中間層、超電導層及び安定化層の４層から構成されている場合は、中間層、超電導層及び安定化層をまとめた総称である。
【００１１】
また、「前記超電導集合体の少なくとも１層を形成する前記超電導線材の前記基板には磁性基板が使用され」とは、超電導集合体が２層の場合、磁性基板を使用した超電導線材によって形成される層は、「磁性基板を使用した超電導線材によって形成される超電導集合体の層は第１層のみである場合」、「磁性基板を使用した超電導線材によって形成される超電導集合体の層は第２層のみである場合」、「磁性基板を使用した超電導線材によって形成される超電導集合体の層が第１層と第２層である場合」の３通りの場合が含まれている。
【００１２】
また、「最外層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板と、前記最外層を除く少なくとも1層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板が、対向するように配置されている」とは、超電導集合体が２層であるとき、「超電導集合体の第１層の超電導線材は超電導層が中心部材の径方向において内向きになるように巻きつけ、かつ、第２層の超電導線材は超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように巻きつける」場合である。
【００１３】
本発明の第２の態様にかかる超電導導体は、本発明の第１にかかる超電導導体において、前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記層部材が前記基板よりも前記中心部材の径方向において外側に配置されている場合、前記超電導線材の前記基板に、磁化していない基板を使用することを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３の態様にかかる超電導導体は、本発明の第２の態様にかかる超電導導体において、前記磁化していない基板を使用した前記超電導線材が、ＩＢＡＤ線材であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第１の態様にかかる超電導ケーブルは、本発明の第１から第３のいずれか１つ
の態様にかかる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ことを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の態様にかかる超電導ケーブルは、本発明の第１から第３のいずれか１つ
の態様にかかる超電導導体と、前記超電導導体の外側に形成される電気絶縁層と、更に前記電気絶縁層の外側に、前記超電導集合体と同じ構造を有する超電導シールドと、前記超電導シールド層の外側に、保護層および断熱層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、超電導線材として磁性基板を有した超電導線材を使用し、その超電導線材により形成される超電導導体及び超電導導体を備えた超電導ケーブルを、交流下で使用したときに、交流損失を低減させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施態様は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なもので置換した実施態様を採用することが可能であるが、これらの実施態様も本発明の範囲に含まれる。
【００１９】
図１は、本発明に使用する磁性基板上に成膜した超電導線材の構造の一例を示す図である。超電導線材１０は、磁性基板１１の上に中間層１２が形成され、中間層１２の上に超電導層１３が形成されている。また、超電導層１３の上に安定化層(銀)１４が形成され、安定化層１４の上に導電テープ１５が半田接着されている。ここで、超電導線材１０における層部材は、中間層１２、超電導層１３、安定化層１４及び導電テープ１５により構成された部材である。
【００２０】
図２は、本発明による超電導導体の一例を示す図であり、図２(ａ)は、超電導導体の概略斜視図であり、図２(ｂ)は、概略断面図である。
【００２１】
図２に示すように、超電導導体３０は、中心部材３１と超電導集合体３２とにより構成されている。超電導集合体３２は、２層導体であり、第１層３２ａと第２層３２ｂから構成されている。ここで、第１層３２ａが最内層に相当し、第２層３２ｂが最外層に相当する。
【００２２】
また、超電導集合体３２は、超電導線材１０を中心部材３１上に、第１層３２ａは、超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけられて、第２層３２ｂは、超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけられて、形成されている。即ち、第１層３２ａにおいては、超電導導体３２の最外層側が磁性基板１１となり、中心部材３１側が導電テープ１５となるように、超電導線材１０が巻きつけられている。第２層３２ｂにおいては、超電導集合体３２の最外層側が導電テープ１５となり、中心部材３１側が磁性基板１１となるように、超電導線材１０が巻きつけられている。
【００２３】
２層導体（多層導体）の超電導集合体３２の場合、第２層３２ｂ（最外層）を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように超電導線材１０を巻きつけることにより、交流損失を低減できる。また、第２層３２ｂ（最外層）の超電導線材１０のスパイラルピッチを大きくすることにより、更に、交流損失を低減できる。また、第１層３２ａ（最内層）を超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように超電導線材１０を巻きつけることにより、更に、交流損失を低減できる。また、第１層３２ａ（最内層）の超電導線材１０のスパイラルピッチを大きくすることにより、更に、交流損失を低減できる。
【００２４】
次に、本発明の好適ないくつかの実施例を説明する。
【実施例】
【００２５】
（多層導体）
本実施例では、図２のように中外径２０ｍｍのＦＲＰ（繊維強化プラスチック）からなる中心部材３１の周りに、幅約５ｍｍの超電導線材１０を２層に巻きつけて形成した２層導体の超電導集合体３２からなる超電導導体３０に基づいて説明する。なお、本実施例において用いた超電導線材１０は、磁性基板１１はＮｉ−３ａｔ％Ｗ配向基板を用い、ＣｅＯ２シード層、ＹＳＺバリア層及びＣｅＯ２キャップ層からなる中間層１２、ＹＢＣＯ膜からなる超電導層１３、Ａｇからなる安定化層１４によって形成された磁性基板超電導線材である。また、Ｎｉ−３ａｔ％Ｗ配向基板の飽和磁化は、０．４２Ｔであった。
【００２６】
図３は、超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂの超電導線材１０の巻きつけ方法の違いによる交流損失の比較を示した図である。図３の横軸及び縦軸は、電流（交流５０Ｈｚの最大値）を臨界電流で割った値（以下、Ｉｔ／Ｉｃという）であり、縦軸は、交流損失として測定された値を臨界電流の２乗で割った値である。
【００２７】
超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂを形成する超電導線材１０の巻きつけ方法の異なる４つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる４つの超電導導体は、（１）超電導集合体３２の第１層を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合（１層外２層外）、（２）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつける場合（１層外２層内）、（３）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合（１層内２層外）、（４）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつける場合（１層内２層内）である。なお、このときの超電導線材のスパイラルピッチは無限大（ストレート）である。
【００２８】
図３に示したように、超電導集合体３２の第２層３２ｂは超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつける場合（１層外２層内、１層内２層内）の超電導導体の損失値は、いずれも、理論値よりも高い損失値になることがわかった。また、１層内２層外の超電導導体の損失値は、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．４２以上のとき、理論値よりも低い損失値になり、１層外２層外の超電導導体の損失値は、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．５７以上のとき、理論値よりも低い損失値になることがわかった。また、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．８５以上のとき、１層内２層外の超電導導体の損失値と１層外２層外の超電導導体の損失値とは、ほぼ同じ損失値となることがわかった。このことから、第２層３２ｂを形成する超電導線材１０の超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけて形成すると、交流損失の低減ができることがわかった。なお、理論値は、Ｎｏｒｒｉｓの楕円モデルにより算出した損失値である。
【００２９】
図４は、超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂのスパイラルピッチ及び巻きつけ方法の違いによる交流損失の比較を示す図である。図４の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００３０】
超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂのスパイラルピッチの異なる場合の、第１層３２ａと第２層３２ｂの巻きつけ方法の違いが交流損失に与える影響を調べた。異なる２つの超電導導体は、（１）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合（１層外２層外）、（２）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合（１層内２層外）である。また、２つの超電導導体は、超電導集合体３２の第１層３２ａのスパイラルピッチが４００ｍｍであり、第２層３２ｂのスパイラルピッチが−２５０ｍｍである。ここで、「−」の意味は、第２層の巻き方向が第１層３２ａの巻き方向と逆方向という意味である。以下同様に表記する。
【００３１】
図４に示したように、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．５７以上のとき、１層外２層外の超電導導体の損失値と１層内２層外の超電導導体の損失値とは、ほぼ同じ損失値となり、０．８５以上のとき、理論値とほぼ同等となることがわかった。また、スパイラルピッチを小さくすることで、図３に示したスパイラルピッチが無限大（ストレート）の場合よりも交流損失の低減の効果が小さくなることが分かった。
【００３２】
図５は、第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるようにまきつける場合の、第１層のスパイラルピッチの大きさに違いによる交流損失の比較を示す図である。図５の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００３３】
超電導集合体３２の第１層３２ａを形成する超電導線材１０の巻きつけ方法及びスパイラルピッチの異なる２つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる２つの超電導導体は、（１）第１層３２ａのスパイラルピッチが４００ｍｍで、第２層３２ｂのスパイラルピッチが−２５０ｍｍの場合（１層内４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍ）、（２）第１層３２ａのスパイラルピッチが８００ｍｍで、第２層３２ｂのスパイラルピッチが−３００ｍｍの場合（１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍ）である。
【００３４】
図５に示したように、１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値は、１層内４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍの超電導導体の損失値に比較して、低電流領域で、損失が低減していることがわかった。また、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．５７のとき、１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値は、１層内４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍの超電導導体の損失値の約１／３に小さくなっており、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．６７のとき、約２／３に小さくなっている。また、Ｉｔ／Ｉｃは理論値に対して、１５％高いレベルに押さえることができている。このように、スパイラルピッチを大きくすることで、スパイラルピッチが小さい場合の図４に比べて、図３に示したスパイラルピッチが無限大（ストレート）の場合の交流損失に近づけることができる。
【００３５】
図６は、超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合の、第１層のスパイラルピッチの大きさに違いによる交流損失の比較を示す図である。図６の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００３６】
超電導集合体３２の第１層３２ａを形成する超電導線材１０の巻きつけ方法及びスパイラルピッチの異なる２つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる２つの超電導導体は、（１）超電導集合体３２の第１層３２ａのスパイラルピッチが４００ｍｍで、第２層３２ｂのスパイラルピッチがー２５０ｍｍの場合（１層外４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍ）、（２）超電導集合体３２の第１層３２ａのスパイラルピッチが８００ｍｍで、第２層３２ｂのスパイラルピッチがー３００ｍｍの場合（１層外８００ｍｍ２層外−３００ｍｍ）、である。
【００３７】
図６に示すように、１層外８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値と、１層外４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍの超電導導体の損失値とは、ほぼ同じであり、第１層３２ａのスパイラルピッチの違いによる交流損失の違いはないことがわかった。つまり、図５の１層内、２層外と比べて、図６の１層外、２層外では、この程度のスパイラルピッチを大きくしただけでは、図３に示したスパイラルピッチが無限大（ストレート）の場合の交流損失に近づけることができないことがわかった。
【００３８】
実際に超電導ケーブルとして通電する場合は、このときの通電電流ＩｔはＩｃの０．５倍以上であることが求められるため、図３〜６の交流損失の結果において、Ｉｔ／Ｉｃが０．５以上のときの結果に基づいて、以下のことが分かった。
図３〜６の結果のうち、最も交流損失が低い超電導線材１０の巻きつけ方は、スパイラルピッチが無限大の場合は、図３の１層内、２層外の巻きつけ方であり、スパイラル巻きの場合には、図５の第１層３２ａのスパイラルピッチが８００ｍｍ、第２層３２ｂのスパイラルピッチが３００ｍｍであって、１層内、２層外の巻きつけ方であった。このことから、第１層３２ａと第２層３２ｂの巻きつけ方としては、１層内、２層外の巻きつけ方が最適であることが分かった。また、図５から分かるように、第１層３２ａと第２層３２ｂのスパイラルピッチを大きくした方が交流損失の低減が大きい。しかし、図３において２番目に交流損失が低かった１層外２層外に関して、同様にスパイラルピッチを変化させた結果の図６では、スパイラルピッチを大きくしてもほとんど交流損失は低減していない。
【００３９】
交流損失のみの観点からでは、スパイラルピッチを無限大に第１層３２ａと第２層３２ｂの巻きつけ方を１層外２層外とすることが最適ではあるが、通常、超電導ケーブルにおいてはケーブル全体における均流化と機械的特性の点から、超電導線材をスパイラル状にして巻きつけることが好ましく、外側の層ほどスパイラルピッチを小さくする。そうすれば、インピーダンスが高くなり、見かけ上の抵抗が上がり、電流が流れにくい層を外側に、流れやすい層を内側に配置することで、ケーブル全体として均流化を図っている。そのため、超電導ケーブルとして考えた場合には、磁性基板超電導線材１０は、超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂの巻きつけ方を、１層内、２層外とし、スパイラルピッチを出来るだけ大きくすることで、交流損失を効果的に低減することできる。ただし、ストレート配置にはしないことが好ましい。
【００４０】
また、２層の超電導集合体３２を、多層の超電導集合体３２に拡張して、超電導集合体３２の最外層を形成する超電導線材１０を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチを大きくした超電導導体を使用することにより、交流損失を効果的に低減することできる。また、超電導集合体３２のうち、最外層を除く少なくとも1層を形成する超電導線材１０を超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけた超電導導体を使用することにより、更に、交流損失を効果的に低減することできる。また、超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけた配向基盤超電導線材のスパイラルピッチを大きくした超電導導体を使用することにより、更に、交流損失を効果的に低減することできる。
【００４１】
また、超電導外向き巻き付けされた配向基板超電導線材のスパイラルピッチが５００ｍｍ未満になると、磁性基板の磁化の影響が大きくなる。そこで、超電導線材１０に代わり、基板が磁化していない線材であるＩＢＡＤ線材等を使用したときの超電導導体の交流損失を検証する。ここで用いたＩＢＡＤ線材の構成は、基板は無磁性のハステロイ（登録商標)を使用し、中間層はＩＢＡＤ法によるＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）と、その上にＰＬＤ法でＣｅＯ２層を成膜したもので、超電導層は、ＰＬＤ法からなるＹＢＣＯ膜であり、安定化層は、Ａｇからなっている。
【００４２】
図７は、超電導集合体３２の第１層３２ａを形成する超電導線材を超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが８００ｍｍであり、第２層を形成する超電導線材を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが−３００ｍｍのとき、第２層３２ｂを形成する超電導線材の線材種の違いによる交流損失の比較を示す図である。図７の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００４３】
超電導集合体３２の第２層３２ｂを形成する超電導線材の線材種の異なる２つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる２つの超電導線材は、（１）超電導集合体３２の第２層３２ｂを形成する超電導線材が超電導線材１０の場合（１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍ）、（２）超電導集合体３２の第２層３２ｂを形成する超電導線材がＩＢＡＤ線材の場合（１層内８００ｍｍ２層ＩＢＡＤ−３００ｍｍ）である。
【００４４】
図７に示したように、１層内８００ｍｍ２層ＩＢＡＤ−３００ｍｍの超電導導体の損失値は、１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値に比較して、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．４３以上のとき、理論値よりも低い損失値になることがわかった。
【００４５】
図８は、超電導集合体３２の第１層３２ａを形成する超電導線材を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが８００ｍｍであり、第２層を形成する超電導線材を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが−３００ｍｍとなるようにしたときの、第２層３２ｂを形成する超電導線材の線材種の違いによる交流損失の比較を示す図である。図８の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００４６】
超電導集合体３２の第２層３２ｂを形成する超電導線材の線材種の異なる２つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる２つの超電導導体は、（１）第２層３２ｂが超電導線材１０の場合（１層外８００ｍｍ２層外−３００ｍｍ）、（２）第２層３２ｂがＩＢＡＤ線材の場合（１層外８００ｍｍ２層ＩＢＡＤ−３００ｍｍ）である。このときのＩＢＡＤの巻き方は、超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけている。
【００４７】
図８に示したように、１層外８００ｍｍ２層ＩＢＡＤ−３００ｍｍの超電導導体の損失値は、１層外８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値に比較して、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．５７以上のとき、理論値よりも低い損失値になることがわかった。
【００４８】
以上のことから、超電導集合体の第２層（最外層）を、超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように超電導線材を巻きつけた場合に、スパイラルピッチが小さい超電導線材で形成された超電導集合体の層（５００ｍｍ未満になるような場合）において、第２層（最外層）を形成する超電導線材として、超電導線材１０の代わりに、基板の磁化していない線材であるＩＢＡＤ線材等を使用して、超電導集合体を形成することにより、超電導導体の交流損失を効果的に低減することできる。
【００４９】
また、図９は、本発明による超電導シールドを備えた超電導ケーブルの構造の一例を示す図である。図９に示すように、超電導ケーブル５０の構造は、金属製（例えば銅製）の中心部材３１の周りに超電導線材１０が複数層らせん状に巻き付けられた超電導導体３０、その上に絶縁層５１（材質は紙若しくは半合成紙）、次いで超電導シールド層５２、その上に保護層５３（例えば、導電性の紙あるいは銅の編組線からなる）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５５と外管５６及び内管５５と外管５６の間に配置された断熱層５４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５２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１０と同様の超電導線材を用いることが望ましい。このように、超電導ケーブルが超電導シールド層を備えているとき、超電導シールド層の２層または複数層を形成する超電導線材の配置は、超電導集合体の超電導線材の配置と同様である。すなわち、（１）超電導シールド層が２層以上の場合にはその最外層を外向きに巻きつけ、その内層に位置する超電導シールド層の少なくとも１つは内向きに巻きつける。また、（２）スパイラルピッチが５００ｍｍ未満であって、超電導集合体の第２層（最外層）の超電導線材を超電導層が中心部材の径方向において外向きに巻きつけた場合には、第２層（最外層）の超電導線材の基板は、非磁性基板を用いる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に使用する磁性基板上に成膜した超電導線材の構造の一例を示す図である。
【図２】本発明による超電導ケーブルの一例を示す図であり、図２(ａ)は、超電導導体の概略斜視図であり、図２(ｂ)は、概略断面図である。
【図３】第１層と第２層の磁性基板を有した超電導線材の巻きつけ方法の違いによる交流損失の比較を示した図である。
【図４】第１層と第２層のスパイラルピッチ及び巻きつけ方法の違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図５】第１層を超電導層が中心部材の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層を超電導層が前記中心部材の径方向において外向きになるようにまきつけた場合の、第１層のスパイラルピッチの大きさに違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図６】第１層を超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層を超電導層が前記中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけた場合の、第１層のスパイラルピッチの大きさに違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図７】第１層を超電導層が中心部材の径方向において内向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが８００ｍｍであり、第２層を超電導層が前記中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが−３００ｍｍのとき、第２層の線材種の違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図８】第１層を超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが８００ｍｍであり、第２層を超電導層が前記中心部材の径方向において内向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチがー３００ｍｍのとき、第２層の線材種の違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図９】本発明による超電導シールドを備えた超電導ケーブルの構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 超電導線材
１１ 磁性基板
１２ 中間層
１３ 超電導層
１４ 安定化層(銀)
１５ 導電テープ
３０ 超電導導体
３１ 中心部材
３２ 超電導集合体
５０ 超電導ケーブル
５１ 絶縁層
５２ 超電導シールド層
５３ 保護層
５４ 断熱層
５５ 内管
５６ 外管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材によって形成される超電導導体及び超電導導体を備えた超電導ケーブルに関する。特に、超電導線材として、磁性基板を用いた超電導線材である配向基板超電導線材を使用した、交流損失を低減させることが可能な超電導導体及び超電導導体を備えた超電導ケーブルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥ１２３系酸化物超電導（ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏで示される）は薄膜超電導線材と呼ばれ、金属テープ基板上に、結晶粒の揃ったＲＥ１２３系多結晶膜を数μｍの厚さに設けて超電導化したものである。但し、ＲＥはＬａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ及びＹから選択される。ＲＥ１２３系酸化物超電導のうち、代表的なものとして、Ｙ系超電導線材（以下、Ｙ系線材と呼ぶ）が知られている。Ｙ系線材は、外部磁界に対して強く、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いる。薄膜超電導線材に流れる電流容量には限界があるため、交流電力機器等への応用の際には、電流容量を上げるために、超電導線材を複数本束ねた集合導体を構成する必要がある。
【０００３】
この集合導体は、交流磁界を印加すると交流損失と呼ばれる電力損失を発生する。そのため、この交流損失を低減するための様々な方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１では、２枚のテープ線材を互いに対向させて電気的に接続し、空間で互いに交差する少なくとも２本の電流路を形成することにより、交流損失を低減させる方法が、提案されている。
【０００５】
薄膜超電導線材は、金属基板上に超電導薄膜を成膜することにより得られる。薄膜超電導線材を製作するプロセスには、超電導薄膜を形成できる基体を生成するプロセス（基板と中間層を生成する工程）と、その基体に超電導を形成するプロセス（超電導層を形成する工程）に分けられる。基体を生成するプロセスとして、大きく２つの方法がある。
１つは、特殊な成膜法により中間層を配向させる技術でＩＢＡＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法と呼ばれる技術であり、もう１つは、金属基板（主にＮｉ基を使用した磁性基板）を配向させる技術でＲＡＢｉＴＳ（Ｒｏｌｌｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｂｉ−ａｘｉａｌｌｙ Ｔｅｘｔｕｒｅｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）法と呼ばれる技術である。また、ＩＢＡＤ法によって作成された線材はＩＢＡＤ線材と、ＲＡＢｉＴＳ法によって作成された線材は配向基板線材（配向基板超電導線材）と呼ばれている。
【特許文献１】特開２００５−８５６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したＲＡＢｉＴＳ法は、金属基板が安価であることからコストを低く抑えることができるという大きな利点を持っているが、配向金属として代表的なものはＮｉ基をベースとしたものであり、この場合、金属基板そのものが磁化しているため、ＲＡＢｉＴＳ法により作成した線材を使用して超電導ケーブルを製作して、交流下において使用したときに、非常に大きな交流損失を発生させてしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、磁性基板上に超電導層を形成した超電導線材を使用した超電導導体の交流損失を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者は上述した従来の問題点について鋭意研究を重ねた。その結果、超電導層と磁性基板を有した超電導線材を中心部材上に巻きつけて、２層以上の超電導集合体を形成した超電導導体によって形成された超電導ケーブルにおいて、最外層の前記超電導線材を中心部材の径方向において前記超電導層が前記磁性基板に対して外向きになるように巻きつけることにより、交流損失が低減されることが判明した。更に、最外層の磁性基板を有した超電導線材よりも内層に配置された磁性基板を有した超電導線材のうちの１つを、磁性基板が最外層の超電導線材の磁性基板と対向するように巻きつけることにより、更に交流損失が低減されることが判明した。また、前記超電導集合体の少なくとも１層を磁性基板を有した超電導線材の代わりに、ＩＢＡＤ線材等の磁化していない基板を使用した超電導線材を使用することにより、更に交流損失が低減されることが判明した。
【０００９】
本発明の第１の態様にかかる超電導導体は、円筒形状の中心部材と、基板と、前記基板の上に形成される超電導層と安定化層からなる層部材、または、中間層及び超電導層と安定化層からなる層部材とを備えた超電導線材を、前記中心部材上に巻きつけて形成される少なくとも２層以上の超電導集合体と、を有した超電導導体であって、少なくとも１層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板は、磁性基板であり、最外層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板と、前記最外層を除く少なくとも1層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板が、対向するように配置されていることを特徴とする。ここで、「磁性基板」とは、超電導導体を使用する環境温度（代表的には７７Ｋ）以下において、飽和磁化を有する金属基板のことを意味し、特に、使用時の飽和磁化が０．１５Ｔ以上のものの場合に本発明の効果を発揮する。なお、磁性金属としては、具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等を代表とした強磁性体や、これらを基とした合金が挙げられる。
【００１０】
ここで、「層部材」とは、例えば、超電導線材が、基板、超電導層、安定化層の３層から構成されている場合は、超電導層、安定化層をまとめた総称であり、超電導材が、基板、中間層、超電導層及び安定化層の４層から構成されている場合は、中間層、超電導層及び安定化層をまとめた総称である。
【００１１】
また、「前記超電導集合体の少なくとも１層を形成する前記超電導線材の前記基板には磁性基板が使用され」とは、超電導集合体が２層の場合、磁性基板を使用した超電導線材によって形成される層は、「磁性基板を使用した超電導線材によって形成される超電導集合体の層は第１層のみである場合」、「磁性基板を使用した超電導線材によって形成される超電導集合体の層は第２層のみである場合」、「磁性基板を使用した超電導線材によって形成される超電導集合体の層が第１層と第２層である場合」の３通りの場合が含まれている。
【００１２】
また、「最外層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板と、前記最外層を除く少なくとも1層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板が、対向するように配置されている」とは、超電導集合体が２層であるとき、「超電導集合体の第１層の超電導線材は超電導層が中心部材の径方向において内向きになるように巻きつけ、かつ、第２層の超電導線材は超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように巻きつける」場合である。
【００１３】
本発明の第２の態様にかかる超電導導体は、本発明の第１にかかる超電導導体において、前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記層部材が前記基板よりも前記中心部材の径方向において外側に配置されている場合、前記超電導線材の前記基板に、磁化していない基板を使用することを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３の態様にかかる超電導導体は、本発明の第２の態様にかかる超電導導体において、前記磁化していない基板を使用した前記超電導線材が、ＩＢＡＤ線材であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第１の態様にかかる超電導ケーブルは、本発明の第１から第３のいずれか１つ
の態様にかかる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ことを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の態様にかかる超電導ケーブルは、本発明の第１から第３のいずれか１つ
の態様にかかる超電導導体と、前記超電導導体の外側に形成される電気絶縁層と、更に前記電気絶縁層の外側に、前記超電導集合体と同じ構造を有する超電導シールドと、前記超電導シールド層の外側に、保護層および断熱層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、超電導線材として磁性基板を有した超電導線材を使用し、その超電導線材により形成される超電導導体及び超電導導体を備えた超電導ケーブルを、交流下で使用したときに、交流損失を低減させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施態様は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なもので置換した実施態様を採用することが可能であるが、これらの実施態様も本発明の範囲に含まれる。
【００１９】
図１は、本発明に使用する磁性基板上に成膜した超電導線材の構造の一例を示す図である。超電導線材１０は、磁性基板１１の上に中間層１２が形成され、中間層１２の上に超電導層１３が形成されている。また、超電導層１３の上に安定化層(銀)１４が形成され、安定化層１４の上に導電テープ１５が半田接着されている。ここで、超電導線材１０における層部材は、中間層１２、超電導層１３、安定化層１４及び導電テープ１５により構成された部材である。
【００２０】
図２は、本発明による超電導導体の一例を示す図であり、図２(ａ)は、超電導導体の概略斜視図であり、図２(ｂ)は、概略断面図である。
【００２１】
図２に示すように、超電導導体３０は、中心部材３１と超電導集合体３２とにより構成されている。超電導集合体３２は、２層導体であり、第１層３２ａと第２層３２ｂから構成されている。ここで、第１層３２ａが最内層に相当し、第２層３２ｂが最外層に相当する。
【００２２】
また、超電導集合体３２は、超電導線材１０を中心部材３１上に、第１層３２ａは、超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけられて、第２層３２ｂは、超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけられて、形成されている。即ち、第１層３２ａにおいては、超電導導体３２の最外層側が磁性基板１１となり、中心部材３１側が導電テープ１５となるように、超電導線材１０が巻きつけられている。第２層３２ｂにおいては、超電導集合体３２の最外層側が導電テープ１５となり、中心部材３１側が磁性基板１１となるように、超電導線材１０が巻きつけられている。
【００２３】
２層導体（多層導体）の超電導集合体３２の場合、第２層３２ｂ（最外層）を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように超電導線材１０を巻きつけることにより、交流損失を低減できる。また、第２層３２ｂ（最外層）の超電導線材１０のスパイラルピッチを大きくすることにより、更に、交流損失を低減できる。また、第１層３２ａ（最内層）を超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように超電導線材１０を巻きつけることにより、更に、交流損失を低減できる。また、第１層３２ａ（最内層）の超電導線材１０のスパイラルピッチを大きくすることにより、更に、交流損失を低減できる。
【００２４】
次に、本発明の好適ないくつかの実施例を説明する。
【実施例】
【００２５】
（多層導体）
本実施例では、図２のように中外径２０ｍｍのＦＲＰ（繊維強化プラスチック）からなる中心部材３１の周りに、幅約５ｍｍの超電導線材１０を２層に巻きつけて形成した２層導体の超電導集合体３２からなる超電導導体３０に基づいて説明する。なお、本実施例において用いた超電導線材１０は、磁性基板１１はＮｉ−３ａｔ％Ｗ配向基板を用い、ＣｅＯ２シード層、ＹＳＺバリア層及びＣｅＯ２キャップ層からなる中間層１２、ＹＢＣＯ膜からなる超電導層１３、Ａｇからなる安定化層１４によって形成された磁性基板超電導線材である。また、Ｎｉ−３ａｔ％Ｗ配向基板の飽和磁化は、０．４２Ｔであった。
【００２６】
図３は、超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂの超電導線材１０の巻きつけ方法の違いによる交流損失の比較を示した図である。図３の横軸及び縦軸は、電流（交流５０Ｈｚの最大値）を臨界電流で割った値（以下、Ｉｔ／Ｉｃという）であり、縦軸は、交流損失として測定された値を臨界電流の２乗で割った値である。
【００２７】
超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂを形成する超電導線材１０の巻きつけ方法の異なる４つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる４つの超電導導体は、（１）超電導集合体３２の第１層を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合（１層外２層外）、（２）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつける場合（１層外２層内）、（３）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合（１層内２層外）、（４）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつける場合（１層内２層内）である。なお、このときの超電導線材のスパイラルピッチは無限大（ストレート）である。
【００２８】
図３に示したように、超電導集合体３２の第２層３２ｂは超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつける場合（１層外２層内、１層内２層内）の超電導導体の損失値は、いずれも、理論値よりも高い損失値になることがわかった。また、１層内２層外の超電導導体の損失値は、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．４２以上のとき、理論値よりも低い損失値になり、１層外２層外の超電導導体の損失値は、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．５７以上のとき、理論値よりも低い損失値になることがわかった。また、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．８５以上のとき、１層内２層外の超電導導体の損失値と１層外２層外の超電導導体の損失値とは、ほぼ同じ損失値となることがわかった。このことから、第２層３２ｂを形成する超電導線材１０の超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけて形成すると、交流損失の低減ができることがわかった。なお、理論値は、Ｎｏｒｒｉｓの楕円モデルにより算出した損失値である。
【００２９】
図４は、超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂのスパイラルピッチ及び巻きつけ方法の違いによる交流損失の比較を示す図である。図４の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００３０】
超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂのスパイラルピッチの異なる場合の、第１層３２ａと第２層３２ｂの巻きつけ方法の違いが交流損失に与える影響を調べた。異なる２つの超電導導体は、（１）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合（１層外２層外）、（２）超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合（１層内２層外）である。また、２つの超電導導体は、超電導集合体３２の第１層３２ａのスパイラルピッチが４００ｍｍであり、第２層３２ｂのスパイラルピッチが−２５０ｍｍである。ここで、「−」の意味は、第２層の巻き方向が第１層３２ａの巻き方向と逆方向という意味である。以下同様に表記する。
【００３１】
図４に示したように、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．５７以上のとき、１層外２層外の超電導導体の損失値と１層内２層外の超電導導体の損失値とは、ほぼ同じ損失値となり、０．８５以上のとき、理論値とほぼ同等となることがわかった。また、スパイラルピッチを小さくすることで、図３に示したスパイラルピッチが無限大（ストレート）の場合よりも交流損失の低減の効果が小さくなることが分かった。
【００３２】
図５は、第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるようにまきつける場合の、第１層のスパイラルピッチの大きさに違いによる交流損失の比較を示す図である。図５の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００３３】
超電導集合体３２の第１層３２ａを形成する超電導線材１０の巻きつけ方法及びスパイラルピッチの異なる２つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる２つの超電導導体は、（１）第１層３２ａのスパイラルピッチが４００ｍｍで、第２層３２ｂのスパイラルピッチが−２５０ｍｍの場合（１層内４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍ）、（２）第１層３２ａのスパイラルピッチが８００ｍｍで、第２層３２ｂのスパイラルピッチが−３００ｍｍの場合（１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍ）である。
【００３４】
図５に示したように、１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値は、１層内４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍの超電導導体の損失値に比較して、低電流領域で、損失が低減していることがわかった。また、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．５７のとき、１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値は、１層内４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍの超電導導体の損失値の約１／３に小さくなっており、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．６７のとき、約２／３に小さくなっている。また、Ｉｔ／Ｉｃは理論値に対して、１５％高いレベルに押さえることができている。このように、スパイラルピッチを大きくすることで、スパイラルピッチが小さい場合の図４に比べて、図３に示したスパイラルピッチが無限大（ストレート）の場合の交流損失に近づけることができる。
【００３５】
図６は、超電導集合体３２の第１層３２ａを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層３２ｂを超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつける場合の、第１層のスパイラルピッチの大きさに違いによる交流損失の比較を示す図である。図６の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００３６】
超電導集合体３２の第１層３２ａを形成する超電導線材１０の巻きつけ方法及びスパイラルピッチの異なる２つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる２つの超電導導体は、（１）超電導集合体３２の第１層３２ａのスパイラルピッチが４００ｍｍで、第２層３２ｂのスパイラルピッチがー２５０ｍｍの場合（１層外４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍ）、（２）超電導集合体３２の第１層３２ａのスパイラルピッチが８００ｍｍで、第２層３２ｂのスパイラルピッチがー３００ｍｍの場合（１層外８００ｍｍ２層外−３００ｍｍ）、である。
【００３７】
図６に示すように、１層外８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値と、１層外４００ｍｍ２層外−２５０ｍｍの超電導導体の損失値とは、ほぼ同じであり、第１層３２ａのスパイラルピッチの違いによる交流損失の違いはないことがわかった。つまり、図５の１層内、２層外と比べて、図６の１層外、２層外では、この程度のスパイラルピッチを大きくしただけでは、図３に示したスパイラルピッチが無限大（ストレート）の場合の交流損失に近づけることができないことがわかった。
【００３８】
実際に超電導ケーブルとして通電する場合は、このときの通電電流ＩｔはＩｃの０．５倍以上であることが求められるため、図３〜６の交流損失の結果において、Ｉｔ／Ｉｃが０．５以上のときの結果に基づいて、以下のことが分かった。
図３〜６の結果のうち、最も交流損失が低い超電導線材１０の巻きつけ方は、スパイラルピッチが無限大の場合は、図３の１層内、２層外の巻きつけ方であり、スパイラル巻きの場合には、図５の第１層３２ａのスパイラルピッチが８００ｍｍ、第２層３２ｂのスパイラルピッチが３００ｍｍであって、１層内、２層外の巻きつけ方であった。このことから、第１層３２ａと第２層３２ｂの巻きつけ方としては、１層内、２層外の巻きつけ方が最適であることが分かった。また、図５から分かるように、第１層３２ａと第２層３２ｂのスパイラルピッチを大きくした方が交流損失の低減が大きい。しかし、図３において２番目に交流損失が低かった１層外２層外に関して、同様にスパイラルピッチを変化させた結果の図６では、スパイラルピッチを大きくしてもほとんど交流損失は低減していない。
【００３９】
交流損失のみの観点からでは、スパイラルピッチを無限大に第１層３２ａと第２層３２ｂの巻きつけ方を１層外２層外とすることが最適ではあるが、通常、超電導ケーブルにおいてはケーブル全体における均流化と機械的特性の点から、超電導線材をスパイラル状にして巻きつけることが好ましく、外側の層ほどスパイラルピッチを小さくする。そうすれば、インピーダンスが高くなり、見かけ上の抵抗が上がり、電流が流れにくい層を外側に、流れやすい層を内側に配置することで、ケーブル全体として均流化を図っている。そのため、超電導ケーブルとして考えた場合には、磁性基板超電導線材１０は、超電導集合体３２の第１層３２ａと第２層３２ｂの巻きつけ方を、１層内、２層外とし、スパイラルピッチを出来るだけ大きくすることで、交流損失を効果的に低減することできる。ただし、ストレート配置にはしないことが好ましい。
【００４０】
また、２層の超電導集合体３２を、多層の超電導集合体３２に拡張して、超電導集合体３２の最外層を形成する超電導線材１０を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチを大きくした超電導導体を使用することにより、交流損失を効果的に低減することできる。また、超電導集合体３２のうち、最外層を除く少なくとも1層を形成する超電導線材１０を超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけた超電導導体を使用することにより、更に、交流損失を効果的に低減することできる。また、超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけた配向基盤超電導線材のスパイラルピッチを大きくした超電導導体を使用することにより、更に、交流損失を効果的に低減することできる。
【００４１】
また、超電導外向き巻き付けされた配向基板超電導線材のスパイラルピッチが５００ｍｍ未満になると、磁性基板の磁化の影響が大きくなる。そこで、超電導線材１０に代わり、基板が磁化していない線材であるＩＢＡＤ線材等を使用したときの超電導導体の交流損失を検証する。ここで用いたＩＢＡＤ線材の構成は、基板は無磁性のハステロイ（登録商標)を使用し、中間層はＩＢＡＤ法によるＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）と、その上にＰＬＤ法でＣｅＯ２層を成膜したもので、超電導層は、ＰＬＤ法からなるＹＢＣＯ膜であり、安定化層は、Ａｇからなっている。
【００４２】
図７は、超電導集合体３２の第１層３２ａを形成する超電導線材を超電導層１３が中心部材３１の径方向において内向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが８００ｍｍであり、第２層を形成する超電導線材を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが−３００ｍｍのとき、第２層３２ｂを形成する超電導線材の線材種の違いによる交流損失の比較を示す図である。図７の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００４３】
超電導集合体３２の第２層３２ｂを形成する超電導線材の線材種の異なる２つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる２つの超電導線材は、（１）超電導集合体３２の第２層３２ｂを形成する超電導線材が超電導線材１０の場合（１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍ）、（２）超電導集合体３２の第２層３２ｂを形成する超電導線材がＩＢＡＤ線材の場合（１層内８００ｍｍ２層ＩＢＡＤ−３００ｍｍ）である。
【００４４】
図７に示したように、１層内８００ｍｍ２層ＩＢＡＤ−３００ｍｍの超電導導体の損失値は、１層内８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値に比較して、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．４３以上のとき、理論値よりも低い損失値になることがわかった。
【００４５】
図８は、超電導集合体３２の第１層３２ａを形成する超電導線材を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが８００ｍｍであり、第２層を形成する超電導線材を超電導層１３が中心部材３１の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが−３００ｍｍとなるようにしたときの、第２層３２ｂを形成する超電導線材の線材種の違いによる交流損失の比較を示す図である。図８の横軸及び縦軸は図３と同様である。
【００４６】
超電導集合体３２の第２層３２ｂを形成する超電導線材の線材種の異なる２つの超電導導体について、交流損失を比較した。異なる２つの超電導導体は、（１）第２層３２ｂが超電導線材１０の場合（１層外８００ｍｍ２層外−３００ｍｍ）、（２）第２層３２ｂがＩＢＡＤ線材の場合（１層外８００ｍｍ２層ＩＢＡＤ−３００ｍｍ）である。このときのＩＢＡＤの巻き方は、超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけている。
【００４７】
図８に示したように、１層外８００ｍｍ２層ＩＢＡＤ−３００ｍｍの超電導導体の損失値は、１層外８００ｍｍ２層外−３００ｍｍの超電導導体の損失値に比較して、横軸のＩｔ／Ｉｃが０．５７以上のとき、理論値よりも低い損失値になることがわかった。
【００４８】
以上のことから、超電導集合体の第２層（最外層）を、超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように超電導線材を巻きつけた場合に、スパイラルピッチが小さい超電導線材で形成された超電導集合体の層（５００ｍｍ未満になるような場合）において、第２層（最外層）を形成する超電導線材として、超電導線材１０の代わりに、基板の磁化していない線材であるＩＢＡＤ線材等を使用して、超電導集合体を形成することにより、超電導導体の交流損失を効果的に低減することできる。
【００４９】
また、図９は、本発明による超電導シールドを備えた超電導ケーブルの構造の一例を示す図である。図９に示すように、超電導ケーブル５０の構造は、金属製（例えば銅製）の中心部材３１の周りに超電導線材１０が複数層らせん状に巻き付けられた超電導導体３０、その上に絶縁層５１（材質は紙若しくは半合成紙）、次いで超電導シールド層５２、その上に保護層５３（例えば、導電性の紙あるいは銅の編組線からなる）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５５と外管５６及び内管５５と外管５６の間に配置された断熱層５４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５２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１０と同様の超電導線材を用いることが望ましい。このように、超電導ケーブルが超電導シールド層を備えているとき、超電導シールド層の２層または複数層を形成する超電導線材の配置は、超電導集合体の超電導線材の配置と同様である。すなわち、（１）超電導シールド層が２層以上の場合にはその最外層を外向きに巻きつけ、その内層に位置する超電導シールド層の少なくとも１つは内向きに巻きつける。また、（２）スパイラルピッチが５００ｍｍ未満であって、超電導集合体の第２層（最外層）の超電導線材を超電導層が中心部材の径方向において外向きに巻きつけた場合には、第２層（最外層）の超電導線材の基板は、非磁性基板を用いる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に使用する磁性基板上に成膜した超電導線材の構造の一例を示す図である。
【図２】本発明による超電導ケーブルの一例を示す図であり、図２(ａ)は、超電導導体の概略斜視図であり、図２(ｂ)は、概略断面図である。
【図３】第１層と第２層の磁性基板を有した超電導線材の巻きつけ方法の違いによる交流損失の比較を示した図である。
【図４】第１層と第２層のスパイラルピッチ及び巻きつけ方法の違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図５】第１層を超電導層が中心部材の径方向において内向きになるように巻きつけ、第２層を超電導層が前記中心部材の径方向において外向きになるようにまきつけた場合の、第１層のスパイラルピッチの大きさに違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図６】第１層を超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけ、第２層を超電導層が前記中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけた場合の、第１層のスパイラルピッチの大きさに違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図７】第１層を超電導層が中心部材の径方向において内向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが８００ｍｍであり、第２層を超電導層が前記中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが−３００ｍｍのとき、第２層の線材種の違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図８】第１層を超電導層が中心部材の径方向において外向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチが８００ｍｍであり、第２層を超電導層が前記中心部材の径方向において内向きになるように巻きつけ、更にスパイラルピッチがー３００ｍｍのとき、第２層の線材種の違いによる交流損失の比較を示す図である。
【図９】本発明による超電導シールドを備えた超電導ケーブルの構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 超電導線材
１１ 磁性基板
１２ 中間層
１３ 超電導層
１４ 安定化層(銀)
１５ 導電テープ
３０ 超電導導体
３１ 中心部材
３２ 超電導集合体
５０ 超電導ケーブル
５１ 絶縁層
５２ 超電導シールド層
５３ 保護層
５４ 断熱層
５５ 内管
５６ 外管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の中心部材と、
基板と、前記基板の上に形成される超電導層と安定化層からなる層部材、または、中間層及び超電導層と安定化層からなる層部材とを備えた超電導線材を、前記中心部材上に巻きつけて形成される少なくとも２層以上の超電導集合体とを有した超電導導体であって、
少なくとも１層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板は、磁性基板であり、
最外層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板と、前記最外層を除く少なくとも1層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板が、対向するように配置されていることを特徴とする超電導導体。
【請求項２】
前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記層部材が前記基板よりも前記中心部材の径方向において外側に配置されている場合、前記超電導線材の前記基板に、磁化していない基板を使用することを特徴とする請求項１に記載の超電導導体。
【請求項３】
前記磁化していない基板を使用した前記超電導線材が、ＩＢＡＤ線材であることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導導体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか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いる超電導ケーブル。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の前記超電導導体と、
前記超電導導体の外側に形成される電気絶縁層と、
更に前記電気絶縁層の外側に、前記超電導集合体と同じ構造を有する超電導シールドと、
前記超電導シールド層の外側に、保護層および断熱層を有することを特徴とする超電導ケーブル。
【請求項１】
円筒形状の中心部材と、
基板と、前記基板の上に形成される超電導層と安定化層からなる層部材、または、中間層及び超電導層と安定化層からなる層部材とを備えた超電導線材を、前記中心部材上に巻きつけて形成される少なくとも２層以上の超電導集合体とを有した超電導導体であって、
少なくとも１層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板は、磁性基板であり、
最外層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板と、前記最外層を除く少なくとも1層の前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記基板が、対向するように配置されていることを特徴とする超電導導体。
【請求項２】
前記超電導集合体を形成する前記超電導線材の前記層部材が前記基板よりも前記中心部材の径方向において外側に配置されている場合、前記超電導線材の前記基板に、磁化していない基板を使用することを特徴とする請求項１に記載の超電導導体。
【請求項３】
前記磁化していない基板を使用した前記超電導線材が、ＩＢＡＤ線材であることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導導体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか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いる超電導ケーブル。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の前記超電導導体と、
前記超電導導体の外側に形成される電気絶縁層と、
更に前記電気絶縁層の外側に、前記超電導集合体と同じ構造を有する超電導シールドと、
前記超電導シールド層の外側に、保護層および断熱層を有することを特徴とする超電導ケーブル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−４７５１９（Ｐ２００８−４７５１９Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８７０１１（Ｐ２００７−１８７０１１）
【出願日】平成１９年７月１８日（２００７．７．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超電導応用基盤技術研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（３９１００４４８１）財団法人国際超電導産業技術研究センター (144)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１８日（２００７．７．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超電導応用基盤技術研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（３９１００４４８１）財団法人国際超電導産業技術研究センター (144)
【Ｆターム（参考）】
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