超電導線材、超電導導体および超電導ケーブル
【課題】製造時に不可避的に生じる阻害因子による性能低下を回避し、交流損失の低い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。
【解決手段】絶縁材料または電気抵抗の高い材料からなる中間層、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、阻害因子を含む性能低下を回避する、相互に平行な複数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。
【解決手段】絶縁材料または電気抵抗の高い材料からなる中間層、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、阻害因子を含む性能低下を回避する、相互に平行な複数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。
【発明の詳細な説明】
【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、製造時に不可避的に生じる阻害因子による性能低下を回避し、交流損失の低い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ＲＥ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Ｂｉ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巻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、ＲＥ系薄膜超電導線材は、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。またＲＥ系薄膜超電導線材のうち、Ｙ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】
ＲＥ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いことがわかっている。よって、ＲＥ系薄膜超電導線材による理想的な超電導ケーブルは、ＲＥ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く、交流損失を劇的に下げることができる。究極的には、図１０に示すように断面円形（円筒形）が望ましい。しかし、円筒状の基材上に中間層、超電導層を形成した超電導素線は、特許文献２に記載された線材の上側と下側との双方に各層のターゲットを配置して製造する方法では、図１０のような断面円形となるように超電導層を形成したとしても、結晶軸方向を揃えることは困難である。
【特許文献１】特開平９−１９０７２７号公報
【特許文献２】特開２０００−１０６０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。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や布設時、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。
【０００６】
また、ＲＥ系薄膜超電導線材の電流輸送特性において、結晶粒界における弱結合や結晶欠陥に代表される電流阻害因子の影響を顕著に受けることで、電流パスが不均一に、パーコレーション的に流れることが判ってきている。特に、電流の流れる方向に対して垂直方向に阻害因子が存在することで、局所電圧の発生により損失が発生するという問題がある。
そこで、超電導特性を一層高めるためには、現在の薄膜超電導線材の製造方法では不可避的に含まれる阻害因子によって生じる性能低下を回避する必要がある。
【０００７】
本発明の課題は、製造時に不可避的に生じる阻害因子による性能低下を回避し、交流損失の低い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】
【０００８】
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、その長手方向に沿って、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。更に、製造時に不可避的に生じる弱結合や結晶欠陥に代表される阻害因子による性能低下は、特定の切りこみ（即ち、残存部の長さ、切り分け部の長さ、切りこみの幅方向の間隔等）を行うことによって、回避できることが判明した。即ち、切りこみのサイズを適切にすることによって、電流が、前記阻害因子の手前で分流し、前記阻害因子を通過後合流することによって阻害因子による性能低下を回避することができることが判明した。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。
【０００９】
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、絶縁材料または電気抵抗の高い材料からなる中間層、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、前記超電導薄膜内に存在する阻害因子を回避するように該超電導線材の長手方向に沿って形成された、相互に平行な複数本の切りこみを備えた超電導線材である。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く、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。更に、阻害因子による性能低下を回避するために、切りこみが効果的である。
なお、絶縁材料または電気抵抗の高い材料とは、電気抵抗が１０６Ωｍ以上である材料のことを指す。
【００１０】
この発明の超電導線材の第２の態様は、前記切りこみは、前記超電導薄膜に流れる電流が、前記阻害因子の手前で分流させるように切り目が形成された切り分け部と、前記阻害因子を通過後合流するように切れ目が形成されていない残存部とからなり、前記残存部と前記切り分け部が長手方向に周期的に形成されていることを特徴とする超電導線材である。
【００１１】
この発明の超電導線材の第３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、前記切りこみの複数本が幅方向に等間隔に１ｍｍから２ｍｍの範囲内で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 、Ｓ ｍ 、Ｅ ｕ 、Ｇ ｄ 、Ｄ ｙ 、Ｈ ｏ 、Ｅ ｒ 、Ｔ ｍ 、Ｙ ｂ 、Ｌ ｕ から選ばれる１種類または２種類以上の元素からなる超電導材料である。
【００１２】
この発明の超電導線材の第４の態様は、前記切り分け部の長さが１００ｍｍから２００ｍｍの範囲内、および前記残存部の長さが２ｍｍから５ｍｍの範囲内である超電導線材である。
【００１３】
この発明の超電導線材の第５の態様は、前記複数本の切りこみのうち、前記残存部が、該超電導線材の幅方向において同じ位置に隣り合うように形成されていることを特徴とする超電導線材である。
【００１４】
この発明の超電導導体の第1の態様は、前記超電導線材を前記切りこみにおいて幅方向に折り曲げて円筒形状物の外周面に沿って配置させた超電導導体である。
【００１５】
この発明の超電導導体の第２の態様は、前記超電導線材が前記切りこみにおいて幅方向に折り曲げられて円筒形状物の外周面に沿って複数本配置されており、隣り合う前記超電導線材は、前記円筒形状物の周方向において所定間隔を有する超電導導体である。
【００１６】
この発明の超電導導体の第３の態様は、前記超電導線材間に少なくとも１つの前記切りこみの幅方向の間隔と同一の幅に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】
【００１８】
基板の上に、絶縁材料または電気抵抗の高い材料からなる中間層、超電導薄膜、安定化膜が順次形成された超電導線材を、前記超電導薄膜内に存在する阻害因子を回避するようにその長手方向に沿って、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。
【００１９】
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、細線化した場合と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
この発明によると、超電導線材を、その長手方向に沿って、特定のサイズ（切り分け部の長さ、残存部の長さ、切りこみの幅方向の間隔）の、相互に平行な複数本の切りこみを形成しているので、該超電導線材に流れる電流が製造時に不可避的に生じる阻害因子を避けるように、切り込みの残存部を通じて阻害因子部の両側に分流して流れるので、Ｉｃ（臨界電流）の低下は殆ど回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
切りこみ６は、切り分け部７、残存部８からなっており、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。
【００２３】
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レーザの他にファイバレーザ、ＣＯ２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ＯＮ／ＯＦＦによる方法がある。当該方法では、レーザは、安定化膜５側から入射し、ＯＮ時には安定化膜５、超電導薄膜４、中間層３、基板２のすべてを切り分け、切り分け部７を形成し、ＯＦＦ時は全く切りこみ６を入れずに、残存部８を形成する。切り分け部７、残存部８の長さは、例えば、切り分け部７が１４５ｍｍ、残存部８が５ｍｍである。
【００２４】
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く、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、以下に説明する阻害因子の出現確率によって長さを決定することができる。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。
【００２５】
切り込みによる、製造時に不可避的に生じる弱結合や結晶欠陥に代表される阻害因子による性能低下の回避を、図面を参照しながら説明する。弱結合は、結晶が成長する際に変化を受けて結晶方位が異なる方向を向くことにより生じ、結晶欠陥は、化合物の濃度の違い等によって製造時に不可避的に生じる。なお、製造時に不可避的に生じる阻害因子は、ある確率（１〜１０ｍの長さに１箇所程度）で現われると考えられるので、切り分け長さは、基本的には、阻害因子の出現確率長さより短いことが望ましい。
【００２６】
図３は、阻害因子に対する切り込みの作用を説明する図である。図３（ａ）は、切り分けを施していない場合の阻害因子部近傍の電流の流れを説明する図である。図３（ｂ）は、切り分けを施した場合の阻害因子部近傍の電流の流れを説明する図である。図３（ｃ）は、特定の切り分けを施した場合の阻害因子部近傍の電流の流れを説明する図である。
製造時に不可避的に生じる阻害因子Ａは、微細なものは殆ど性能に影響を及ぼさないが、約５００μｍから１ｍｍほどのサイズ（径）の阻害因子Ａは、性能、特にＩｃ（臨界電流）の低下という影響を及ぼす。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、切りこみ６を施していない切りこみの形成されていない超電導線材１００の場合には、阻害因子Ａ部の周りの広い部分の電流の流れＢ（実線矢印）に影響を及ぼしており、超電導薄膜内にて電流の電流分布が生じる。切り分けを施さない場合には、超電導薄膜内で電流が流れるため、Ｉｃの低下は生じないが、円筒状のものに巻きつける際に、曲げられないという問題が生じる。これに対して、図３（ｂ）に示すように、単に切れ目を施して、完全に切り離した状態に線材を５分割に細線化した切り離された超電導線材１０１の場合には、阻害因子Ａ部の周りの影響を受ける部分は狭くなっているが、阻害因子Ａ部が存在する細線化部分に流れる電流が影響を受け、完全に電流が流れなくなる。このため、全体の線材に流れるＩｃの約２０％の電流が流れなくなり、線材全体としての性能低下が生じる。なお、このように完全に切り離した状態に細線化した場合、中間層が非絶縁性のものであれば、超電導薄膜では電流が流れなくなったとしても、下の中間層へ電流が厚さ方向に転流することができるが、薄膜超電導線材の中間層は絶縁性の中間層であることが多いため、図３（ｂ）のように完全に切り離した状態に細線化することは前述のようなＩｃ特性の低下を招く。
【００２８】
これに対して、図３（ｃ）に示すように、本発明における超電導線材１は、切り分け部７の長さ、残存部８の長さ、切りこみ６間の幅の大きさを特定の範囲で規定することによって、阻害因子Ａが存在する部分は電流が流れないものの、阻害因子Ａ部の直前の残存部８−１で分流を生じさせて、阻害因子Ａを迂回した後、阻害因子Ａ部の直後の残存部８−２で、分流した電流を合流するようにコントロールすることができる。その結果、超電導線材１に流れる電流は、実質的に阻害因子Ａ部の影響を回避して、Ｉｃ（臨界電流）の低下が殆どないようにすることができる。なお、超電導線材Ａに良導体が形成された場合、阻害因子Ａ部を避けて良導体に電流が流れこんだとしても、本発明の切りこみ６が形成されていなければ、良導体の抵抗が超電導薄膜４に比べて十分高いために、超電導線材１の超電導特性としては劣化してしまう。
上述したように、阻害因子Ａ部の直前で分流を生じさせて、阻害因子Ａを迂回した後、合流するようにコントロールが可能な、切りこみ６のサイズについて検討した。その結果を以下に示す。
【００２９】
図４は、切り分け部７の長さ、残存部８の長さ、切りこみ６の幅方向の間隔がＩｃ（臨界電流）に及ぼす影響を説明するグラフである。超電導線材１を使用して、切り分け部７の長さ、残存部８の長さ、切りこみ６の幅方向の間隔をそれぞれ変化させて、Ｉｃ（臨界電流）を測定した。
【００３０】
図４（ａ）は、切り分け部７の長さと、Ｉｃ（臨界電流）の関係を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、切り分け部７の長さが３００ｍｍを超えてくると、Ｉｃ（臨界電流）が急激に低下してしまう。従って、切り分け部７の長さは、３００ｍｍ以下、好ましくは、１００ｍｍから２００ｍｍの範囲内（それぞれ限界値を含む）である。
【００３１】
上述した切り分け部７の長さの最小値は、次の事項を考慮する必要がある。即ち、フォーマに線材を巻きつけた場合、線材はある程度自由に動く必要がある。超電導導体を曲げた場合、曲げの外側は線材が開こうとし、内側は逆に狭まろうとする。切り分け部７の長さが短い場合には、これらの線材の横方向の動きが拘束されて、テープの幅方向で座屈や極度の伸びが起きて、線材が劣化する。従って、切り分け部７の長さは、スパイラルピッチの1/4以上、好ましくは1/2以上であり、１００ｍｍ以上が好ましい。
【００３２】
図４（ｂ）は、残存部８の長さと、Ｉｃ（臨界電流）の関係を示すグラフである。図４（ｂ）に示すように、残存部８の長さが１ｍｍを下回ってくると、Ｉｃ（臨界電流）が急激に低下してしまう。従って、残存部８の長さは、１ｍｍ以上、好ましくは、２ｍｍから５ｍｍの範囲内（それぞれ限界値を含む）である。なお、５ｍｍより長い場合には、機械的に曲げが加わった際に、残存部８が曲げられず、無理に曲げると近傍の切り分け部７が折れてしまう。
【００３３】
図４（ｃ）は、切りこみ６の幅方向の間隔と、Ｉｃ（臨界電流）の関係を示すグラフである。図４（ｃ）に示すように、切りこみ６の幅方向の間隔が１ｍｍを下回ってくると、Ｉｃ（臨界電流）が急激に低下してしまう。従って、切りこみ６の幅方向の間隔は、１ｍｍ以上、好ましくは、１ｍｍから２ｍｍの範囲内（それぞれ限界値を含む）である。なお、２ｍｍより長い場合には、交流損失が大きくなるため、好ましくない。なお、２ｍｍの場合の交流損失としては０．１Ｗ／ｍ程度であり、交流損失としてはこの値以下であることが好ましい。
【００３４】
なお、図２（ａ）のように切りこみ６のうち、残存部８が、超電導線材１の幅方向において同じ位置に隣り合うように、平行な切りこみ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すると、上述したような阻害因子Ａ部の直前の残存部８−１での分流が均一に起こり、それぞれの電流パスにおける分担が均一になる。したがって、図２（ａ）のように切りこみ６を形成することが好ましい。
【００３５】
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、線材の長手方向に沿って、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におい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。
【００３６】
図５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５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６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いる。
【００３７】
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つの細線化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。
【００３８】
図７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７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７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。
【００３９】
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の細線化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いる。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。
【００４０】
図８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からなる）から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。
【００４１】
図９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９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８では超電導シールド層を有していなかったが、図９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。
【００４２】
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く、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ＯＮ／ＯＦＦ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は切り分けられていないので、送り出しと巻き込みのスプールは１対１でよい。
【００４３】
このような超電導線材１を図５のように円筒形状物１１に巻き付けると、円筒形状物１１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１０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。
【００４４】
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１９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が形成されていない従来の超電導線材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。
【００４５】
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間のギャップ長は小さければ小さいほど好ましく、ギャップ長が０ｍｍ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１／２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１／１０に低減することが期待できる。
【００４６】
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。ただし、上述したように切りこみ６の幅方向の間隔が１ｍｍを下回ってくると、Ｉｃ（臨界電流）が急激に低下してしまうため、切りこみの６数の上限は、線材幅による。例えば幅が１０ｍｍの線材であれば、切りこみ６数の上限は９となる。更に、超電導線材１間のギャップ長を小さくすることで、切りこみの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。
【００４７】
以下に、この発明の超電導線材１の交流損失に対する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１１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が、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１２にこれらの交流損失を示す。図１２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）で規格化した通電電流（Ｉｔ）を示す。図１２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。
【００４８】
図１２によると、交流損失は、１stripに比べて６stripは１／６になっており、１８stripは１／１８になっている。しかし、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１／１０００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。
【００４９】
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。
【００５０】
モデル１は、図１３に示すように、切りこみ６の形成されていない従来の超電導線材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１４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。
【００５１】
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ＯＮ／ＯＦＦを使用し、１４５ｍｍの長さの切り分け部７、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１５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。
【００５２】
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１６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１７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。
【００５３】
モデル１から５の特性を図１８に示す。図１８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）で規格化した通電電流（Ｉｔ）を示す。図１８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化通電ロスが小さくなっている。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しい。
【００５４】
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って、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２／３〜１／２に低減しており、ギャップ長が０．０９ｍｍ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１／５〜１／１０低減している。モデル５は最も小さい交流損失であることが確認できた。
【００５５】
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０．６１ｍｍであるモデル４においては、交流損失は２／３〜１／２程度異なるが、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。
【００５６】
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巻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。もちろん、この超電導線材９は阻害因子ＡによるＩｃの低下がないものである。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が３本得られる。
【００５７】
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、ギャップ長が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。
【００５８】
上述したように、図７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７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７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の径が変わっても、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。
【００５９】
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巻きをするのは、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１４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に巻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２０ｍｍ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パイラルピッチを無限大、つまりスパイラルに巻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パイラルに巻か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ってしまう。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】
【００６０】
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９参照）。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、スパイラルピッチを決定する。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。
【００６１】
しかし、図１４のように、切り離された超電導線材１０１を使用したスパイラル巻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、線材同士がぶつかり、線材が重なってしまったりする可能性がある。しかし、図５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かっても、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同士がぶつかってしまい、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、０．０９〜１．１３ｍｍ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。
【００６２】
図１６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に対してスパイラル状に巻きつけていない場合とほぼ同等である。図８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１ｍ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。
【００６３】
なお、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０．１〜５μｍ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交流損失の低減としては、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１０μｍ程度だが、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。
【００６４】
同様に、Ｂｉ系銀シース超電導線材の場合には、超電導フィラメント部分に欠陥があったとしても、フィラメント構造は多層構造のようになっており、このように切りこみに残存部を有さなくとも、厚さ方向に分流することは可能であり、本発明の切りこみの適用によって、欠陥部分における性能低下を回避することができるという効果を得ることはできない。
【００６５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【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、阻害因子に対する切り込みの作用を説明する図である。
【図４】図４は、切り分け部の長さ、残存部の長さ、切りこみの幅方向の間隔がＩｃ（臨界電流）に及ぼす影響を説明するグラフである。
【図５】図５は、本発明の超電導導体の断面を説明する図である。
【図６】図６は、本発明の所定間隔（ギャップ長）を説明する図である。
【図７】図７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８】図８は、本発明の超電導ケーブルを説明する図である。
【図９】図９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１０】図１０は、理想的なＹ系の超電導体を示す図である。
【図１１】図１１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１２】図１２は、モデルの交流損失を示すグラフである。
【図１３】図１３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１４】図１４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って外周面に等間隔で配置した断面図である。
【図１５】図１５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１６】図１６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１７】図１７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１８】図１８は、モデル１から５の特性を示すグラフである。
【図１９】図１９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】
【００６７】
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
【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、製造時に不可避的に生じる阻害因子による性能低下を回避し、交流損失の低い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ＲＥ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Ｂｉ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巻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、ＲＥ系薄膜超電導線材は、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。またＲＥ系薄膜超電導線材のうち、Ｙ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】
ＲＥ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いことがわかっている。よって、ＲＥ系薄膜超電導線材による理想的な超電導ケーブルは、ＲＥ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く、交流損失を劇的に下げることができる。究極的には、図１０に示すように断面円形（円筒形）が望ましい。しかし、円筒状の基材上に中間層、超電導層を形成した超電導素線は、特許文献２に記載された線材の上側と下側との双方に各層のターゲットを配置して製造する方法では、図１０のような断面円形となるように超電導層を形成したとしても、結晶軸方向を揃えることは困難である。
【特許文献１】特開平９−１９０７２７号公報
【特許文献２】特開２０００−１０６０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。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や布設時、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。
【０００６】
また、ＲＥ系薄膜超電導線材の電流輸送特性において、結晶粒界における弱結合や結晶欠陥に代表される電流阻害因子の影響を顕著に受けることで、電流パスが不均一に、パーコレーション的に流れることが判ってきている。特に、電流の流れる方向に対して垂直方向に阻害因子が存在することで、局所電圧の発生により損失が発生するという問題がある。
そこで、超電導特性を一層高めるためには、現在の薄膜超電導線材の製造方法では不可避的に含まれる阻害因子によって生じる性能低下を回避する必要がある。
【０００７】
本発明の課題は、製造時に不可避的に生じる阻害因子による性能低下を回避し、交流損失の低い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】
【０００８】
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、その長手方向に沿って、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。更に、製造時に不可避的に生じる弱結合や結晶欠陥に代表される阻害因子による性能低下は、特定の切りこみ（即ち、残存部の長さ、切り分け部の長さ、切りこみの幅方向の間隔等）を行うことによって、回避できることが判明した。即ち、切りこみのサイズを適切にすることによって、電流が、前記阻害因子の手前で分流し、前記阻害因子を通過後合流することによって阻害因子による性能低下を回避することができることが判明した。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。
【０００９】
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、絶縁材料または電気抵抗の高い材料からなる中間層、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、前記超電導薄膜内に存在する阻害因子を回避するように該超電導線材の長手方向に沿って形成された、相互に平行な複数本の切りこみを備えた超電導線材である。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く、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。更に、阻害因子による性能低下を回避するために、切りこみが効果的である。
なお、絶縁材料または電気抵抗の高い材料とは、電気抵抗が１０６Ωｍ以上である材料のことを指す。
【００１０】
この発明の超電導線材の第２の態様は、前記切りこみは、前記超電導薄膜に流れる電流が、前記阻害因子の手前で分流させるように切り目が形成された切り分け部と、前記阻害因子を通過後合流するように切れ目が形成されていない残存部とからなり、前記残存部と前記切り分け部が長手方向に周期的に形成されていることを特徴とする超電導線材である。
【００１１】
この発明の超電導線材の第３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、前記切りこみの複数本が幅方向に等間隔に１ｍｍから２ｍｍの範囲内で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 、Ｓ ｍ 、Ｅ ｕ 、Ｇ ｄ 、Ｄ ｙ 、Ｈ ｏ 、Ｅ ｒ 、Ｔ ｍ 、Ｙ ｂ 、Ｌ ｕ から選ばれる１種類または２種類以上の元素からなる超電導材料である。
【００１２】
この発明の超電導線材の第４の態様は、前記切り分け部の長さが１００ｍｍから２００ｍｍの範囲内、および前記残存部の長さが２ｍｍから５ｍｍの範囲内である超電導線材である。
【００１３】
この発明の超電導線材の第５の態様は、前記複数本の切りこみのうち、前記残存部が、該超電導線材の幅方向において同じ位置に隣り合うように形成されていることを特徴とする超電導線材である。
【００１４】
この発明の超電導導体の第1の態様は、前記超電導線材を前記切りこみにおいて幅方向に折り曲げて円筒形状物の外周面に沿って配置させた超電導導体である。
【００１５】
この発明の超電導導体の第２の態様は、前記超電導線材が前記切りこみにおいて幅方向に折り曲げられて円筒形状物の外周面に沿って複数本配置されており、隣り合う前記超電導線材は、前記円筒形状物の周方向において所定間隔を有する超電導導体である。
【００１６】
この発明の超電導導体の第３の態様は、前記超電導線材間に少なくとも１つの前記切りこみの幅方向の間隔と同一の幅に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】
【００１８】
基板の上に、絶縁材料または電気抵抗の高い材料からなる中間層、超電導薄膜、安定化膜が順次形成された超電導線材を、前記超電導薄膜内に存在する阻害因子を回避するようにその長手方向に沿って、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。
【００１９】
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、細線化した場合と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
この発明によると、超電導線材を、その長手方向に沿って、特定のサイズ（切り分け部の長さ、残存部の長さ、切りこみの幅方向の間隔）の、相互に平行な複数本の切りこみを形成しているので、該超電導線材に流れる電流が製造時に不可避的に生じる阻害因子を避けるように、切り込みの残存部を通じて阻害因子部の両側に分流して流れるので、Ｉｃ（臨界電流）の低下は殆ど回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
切りこみ６は、切り分け部７、残存部８からなっており、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。
【００２３】
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レーザの他にファイバレーザ、ＣＯ２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ＯＮ／ＯＦＦによる方法がある。当該方法では、レーザは、安定化膜５側から入射し、ＯＮ時には安定化膜５、超電導薄膜４、中間層３、基板２のすべてを切り分け、切り分け部７を形成し、ＯＦＦ時は全く切りこみ６を入れずに、残存部８を形成する。切り分け部７、残存部８の長さは、例えば、切り分け部７が１４５ｍｍ、残存部８が５ｍｍである。
【００２４】
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く、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、以下に説明する阻害因子の出現確率によって長さを決定することができる。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。
【００２５】
切り込みによる、製造時に不可避的に生じる弱結合や結晶欠陥に代表される阻害因子による性能低下の回避を、図面を参照しながら説明する。弱結合は、結晶が成長する際に変化を受けて結晶方位が異なる方向を向くことにより生じ、結晶欠陥は、化合物の濃度の違い等によって製造時に不可避的に生じる。なお、製造時に不可避的に生じる阻害因子は、ある確率（１〜１０ｍの長さに１箇所程度）で現われると考えられるので、切り分け長さは、基本的には、阻害因子の出現確率長さより短いことが望ましい。
【００２６】
図３は、阻害因子に対する切り込みの作用を説明する図である。図３（ａ）は、切り分けを施していない場合の阻害因子部近傍の電流の流れを説明する図である。図３（ｂ）は、切り分けを施した場合の阻害因子部近傍の電流の流れを説明する図である。図３（ｃ）は、特定の切り分けを施した場合の阻害因子部近傍の電流の流れを説明する図である。
製造時に不可避的に生じる阻害因子Ａは、微細なものは殆ど性能に影響を及ぼさないが、約５００μｍから１ｍｍほどのサイズ（径）の阻害因子Ａは、性能、特にＩｃ（臨界電流）の低下という影響を及ぼす。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、切りこみ６を施していない切りこみの形成されていない超電導線材１００の場合には、阻害因子Ａ部の周りの広い部分の電流の流れＢ（実線矢印）に影響を及ぼしており、超電導薄膜内にて電流の電流分布が生じる。切り分けを施さない場合には、超電導薄膜内で電流が流れるため、Ｉｃの低下は生じないが、円筒状のものに巻きつける際に、曲げられないという問題が生じる。これに対して、図３（ｂ）に示すように、単に切れ目を施して、完全に切り離した状態に線材を５分割に細線化した切り離された超電導線材１０１の場合には、阻害因子Ａ部の周りの影響を受ける部分は狭くなっているが、阻害因子Ａ部が存在する細線化部分に流れる電流が影響を受け、完全に電流が流れなくなる。このため、全体の線材に流れるＩｃの約２０％の電流が流れなくなり、線材全体としての性能低下が生じる。なお、このように完全に切り離した状態に細線化した場合、中間層が非絶縁性のものであれば、超電導薄膜では電流が流れなくなったとしても、下の中間層へ電流が厚さ方向に転流することができるが、薄膜超電導線材の中間層は絶縁性の中間層であることが多いため、図３（ｂ）のように完全に切り離した状態に細線化することは前述のようなＩｃ特性の低下を招く。
【００２８】
これに対して、図３（ｃ）に示すように、本発明における超電導線材１は、切り分け部７の長さ、残存部８の長さ、切りこみ６間の幅の大きさを特定の範囲で規定することによって、阻害因子Ａが存在する部分は電流が流れないものの、阻害因子Ａ部の直前の残存部８−１で分流を生じさせて、阻害因子Ａを迂回した後、阻害因子Ａ部の直後の残存部８−２で、分流した電流を合流するようにコントロールすることができる。その結果、超電導線材１に流れる電流は、実質的に阻害因子Ａ部の影響を回避して、Ｉｃ（臨界電流）の低下が殆どないようにすることができる。なお、超電導線材Ａに良導体が形成された場合、阻害因子Ａ部を避けて良導体に電流が流れこんだとしても、本発明の切りこみ６が形成されていなければ、良導体の抵抗が超電導薄膜４に比べて十分高いために、超電導線材１の超電導特性としては劣化してしまう。
上述したように、阻害因子Ａ部の直前で分流を生じさせて、阻害因子Ａを迂回した後、合流するようにコントロールが可能な、切りこみ６のサイズについて検討した。その結果を以下に示す。
【００２９】
図４は、切り分け部７の長さ、残存部８の長さ、切りこみ６の幅方向の間隔がＩｃ（臨界電流）に及ぼす影響を説明するグラフである。超電導線材１を使用して、切り分け部７の長さ、残存部８の長さ、切りこみ６の幅方向の間隔をそれぞれ変化させて、Ｉｃ（臨界電流）を測定した。
【００３０】
図４（ａ）は、切り分け部７の長さと、Ｉｃ（臨界電流）の関係を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、切り分け部７の長さが３００ｍｍを超えてくると、Ｉｃ（臨界電流）が急激に低下してしまう。従って、切り分け部７の長さは、３００ｍｍ以下、好ましくは、１００ｍｍから２００ｍｍの範囲内（それぞれ限界値を含む）である。
【００３１】
上述した切り分け部７の長さの最小値は、次の事項を考慮する必要がある。即ち、フォーマに線材を巻きつけた場合、線材はある程度自由に動く必要がある。超電導導体を曲げた場合、曲げの外側は線材が開こうとし、内側は逆に狭まろうとする。切り分け部７の長さが短い場合には、これらの線材の横方向の動きが拘束されて、テープの幅方向で座屈や極度の伸びが起きて、線材が劣化する。従って、切り分け部７の長さは、スパイラルピッチの1/4以上、好ましくは1/2以上であり、１００ｍｍ以上が好ましい。
【００３２】
図４（ｂ）は、残存部８の長さと、Ｉｃ（臨界電流）の関係を示すグラフである。図４（ｂ）に示すように、残存部８の長さが１ｍｍを下回ってくると、Ｉｃ（臨界電流）が急激に低下してしまう。従って、残存部８の長さは、１ｍｍ以上、好ましくは、２ｍｍから５ｍｍの範囲内（それぞれ限界値を含む）である。なお、５ｍｍより長い場合には、機械的に曲げが加わった際に、残存部８が曲げられず、無理に曲げると近傍の切り分け部７が折れてしまう。
【００３３】
図４（ｃ）は、切りこみ６の幅方向の間隔と、Ｉｃ（臨界電流）の関係を示すグラフである。図４（ｃ）に示すように、切りこみ６の幅方向の間隔が１ｍｍを下回ってくると、Ｉｃ（臨界電流）が急激に低下してしまう。従って、切りこみ６の幅方向の間隔は、１ｍｍ以上、好ましくは、１ｍｍから２ｍｍの範囲内（それぞれ限界値を含む）である。なお、２ｍｍより長い場合には、交流損失が大きくなるため、好ましくない。なお、２ｍｍの場合の交流損失としては０．１Ｗ／ｍ程度であり、交流損失としてはこの値以下であることが好ましい。
【００３４】
なお、図２（ａ）のように切りこみ６のうち、残存部８が、超電導線材１の幅方向において同じ位置に隣り合うように、平行な切りこみ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すると、上述したような阻害因子Ａ部の直前の残存部８−１での分流が均一に起こり、それぞれの電流パスにおける分担が均一になる。したがって、図２（ａ）のように切りこみ６を形成することが好ましい。
【００３５】
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、線材の長手方向に沿って、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におい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。
【００３６】
図５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５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６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いる。
【００３７】
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つの細線化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。
【００３８】
図７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７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７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。
【００３９】
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の細線化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いる。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。
【００４０】
図８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からなる）から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。
【００４１】
図９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９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８では超電導シールド層を有していなかったが、図９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。
【００４２】
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く、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ＯＮ／ＯＦＦ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は切り分けられていないので、送り出しと巻き込みのスプールは１対１でよい。
【００４３】
このような超電導線材１を図５のように円筒形状物１１に巻き付けると、円筒形状物１１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１０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。
【００４４】
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１９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が形成されていない従来の超電導線材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。
【００４５】
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間のギャップ長は小さければ小さいほど好ましく、ギャップ長が０ｍｍ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１／２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１／１０に低減することが期待できる。
【００４６】
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。ただし、上述したように切りこみ６の幅方向の間隔が１ｍｍを下回ってくると、Ｉｃ（臨界電流）が急激に低下してしまうため、切りこみの６数の上限は、線材幅による。例えば幅が１０ｍｍの線材であれば、切りこみ６数の上限は９となる。更に、超電導線材１間のギャップ長を小さくすることで、切りこみの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。
【００４７】
以下に、この発明の超電導線材１の交流損失に対する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１１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が、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１２にこれらの交流損失を示す。図１２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）で規格化した通電電流（Ｉｔ）を示す。図１２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。
【００４８】
図１２によると、交流損失は、１stripに比べて６stripは１／６になっており、１８stripは１／１８になっている。しかし、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１／１０００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。
【００４９】
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。
【００５０】
モデル１は、図１３に示すように、切りこみ６の形成されていない従来の超電導線材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１４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。
【００５１】
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ＯＮ／ＯＦＦを使用し、１４５ｍｍの長さの切り分け部７、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１５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。
【００５２】
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１６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１７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。
【００５３】
モデル１から５の特性を図１８に示す。図１８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）で規格化した通電電流（Ｉｔ）を示す。図１８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化通電ロスが小さくなっている。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しい。
【００５４】
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って、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２／３〜１／２に低減しており、ギャップ長が０．０９ｍｍ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１／５〜１／１０低減している。モデル５は最も小さい交流損失であることが確認できた。
【００５５】
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０．６１ｍｍであるモデル４においては、交流損失は２／３〜１／２程度異なるが、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。
【００５６】
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巻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。もちろん、この超電導線材９は阻害因子ＡによるＩｃの低下がないものである。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が３本得られる。
【００５７】
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、ギャップ長が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。
【００５８】
上述したように、図７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７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７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の径が変わっても、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。
【００５９】
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巻きをするのは、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１４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に巻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２０ｍｍ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パイラルピッチを無限大、つまりスパイラルに巻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パイラルに巻か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ってしまう。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】
【００６０】
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９参照）。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、スパイラルピッチを決定する。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。
【００６１】
しかし、図１４のように、切り離された超電導線材１０１を使用したスパイラル巻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、線材同士がぶつかり、線材が重なってしまったりする可能性がある。しかし、図５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かっても、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同士がぶつかってしまい、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、０．０９〜１．１３ｍｍ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。
【００６２】
図１６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に対してスパイラル状に巻きつけていない場合とほぼ同等である。図８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１ｍ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。
【００６３】
なお、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０．１〜５μｍ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交流損失の低減としては、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１０μｍ程度だが、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。
【００６４】
同様に、Ｂｉ系銀シース超電導線材の場合には、超電導フィラメント部分に欠陥があったとしても、フィラメント構造は多層構造のようになっており、このように切りこみに残存部を有さなくとも、厚さ方向に分流することは可能であり、本発明の切りこみの適用によって、欠陥部分における性能低下を回避することができるという効果を得ることはできない。
【００６５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【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、阻害因子に対する切り込みの作用を説明する図である。
【図４】図４は、切り分け部の長さ、残存部の長さ、切りこみの幅方向の間隔がＩｃ（臨界電流）に及ぼす影響を説明するグラフである。
【図５】図５は、本発明の超電導導体の断面を説明する図である。
【図６】図６は、本発明の所定間隔（ギャップ長）を説明する図である。
【図７】図７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８】図８は、本発明の超電導ケーブルを説明する図である。
【図９】図９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１０】図１０は、理想的なＹ系の超電導体を示す図である。
【図１１】図１１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１２】図１２は、モデルの交流損失を示すグラフである。
【図１３】図１３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１４】図１４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って外周面に等間隔で配置した断面図である。
【図１５】図１５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１６】図１６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１７】図１７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１８】図１８は、モデル１から５の特性を示すグラフである。
【図１９】図１９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】
【００６７】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定幅および所定の長さを有する基板の上に、絶縁材料または電気抵抗の高い材料からなる中間層、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、前記超電導薄膜内に存在する阻害因子を回避するように該超電導線材の長手方向に沿って形成された、相互に平行な複数本の切りこみを備えた超電導線材。
【請求項２】
前記切りこみは、前記超電導薄膜に流れる電流が、前記阻害因子の手前で分流させるように切り目が形成された切り分け部と、前記阻害因子を通過後合流するように切れ目が形成されていない残存部とからなり、前記残存部と前記切り分け部が長手方向に周期的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
【請求項３】
前記超電導薄膜が、ＲＥ系超電導材料からなっており、前記切りこみの複数本が幅方向に等間隔に１ｍｍから２ｍｍの範囲内で形成されている請求項１または２に記載の超電導線材。
【請求項４】
前記切り分け部の長さが１００ｍｍから２００ｍｍの範囲内、および前記残存部の長さが２ｍｍから５ｍｍの範囲内である請求項３に記載の超電導線材。
【請求項５】
前記複数本の切りこみのうち、前記残存部が、該超電導線材の幅方向において同じ位置に隣り合うように形成されていることを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の超電導線材。
【請求項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おり、前記良導体にも前記複数本の切りこみが形成されている請求項１から５の何れか１項に記載の超電導線材。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の前記超電導線材を前記切りこみにおいて幅方向に折り曲げて円筒形状物の外周面に沿って配置させた超電導導体。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の前記超電導線材が前記切りこみにおいて幅方向に折り曲げられて円筒形状物の外周面に沿って複数本配置されており、隣り合う前記超電導線材は、前記円筒形状物の周方向において所定間隔を有する超電導導体。
【請求項９】
前記超電導線材間に少なくとも１つの前記切りこみの幅方向の間隔と同一の幅に細線化された別の超電導線材を備えた、請求項８に記載の超電導導体。
【請求項１０】
請求項８または９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１】
所定幅および所定の長さを有する基板の上に、絶縁材料または電気抵抗の高い材料からなる中間層、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、前記超電導薄膜内に存在する阻害因子を回避するように該超電導線材の長手方向に沿って形成された、相互に平行な複数本の切りこみを備えた超電導線材。
【請求項２】
前記切りこみは、前記超電導薄膜に流れる電流が、前記阻害因子の手前で分流させるように切り目が形成された切り分け部と、前記阻害因子を通過後合流するように切れ目が形成されていない残存部とからなり、前記残存部と前記切り分け部が長手方向に周期的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超電導線材。
【請求項３】
前記超電導薄膜が、ＲＥ系超電導材料からなっており、前記切りこみの複数本が幅方向に等間隔に１ｍｍから２ｍｍの範囲内で形成されている請求項１または２に記載の超電導線材。
【請求項４】
前記切り分け部の長さが１００ｍｍから２００ｍｍの範囲内、および前記残存部の長さが２ｍｍから５ｍｍの範囲内である請求項３に記載の超電導線材。
【請求項５】
前記複数本の切りこみのうち、前記残存部が、該超電導線材の幅方向において同じ位置に隣り合うように形成されていることを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の超電導線材。
【請求項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おり、前記良導体にも前記複数本の切りこみが形成されている請求項１から５の何れか１項に記載の超電導線材。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の前記超電導線材を前記切りこみにおいて幅方向に折り曲げて円筒形状物の外周面に沿って配置させた超電導導体。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の前記超電導線材が前記切りこみにおいて幅方向に折り曲げられて円筒形状物の外周面に沿って複数本配置されており、隣り合う前記超電導線材は、前記円筒形状物の周方向において所定間隔を有する超電導導体。
【請求項９】
前記超電導線材間に少なくとも１つの前記切りこみの幅方向の間隔と同一の幅に細線化された別の超電導線材を備えた、請求項８に記載の超電導導体。
【請求項１０】
請求項８または９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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００９−１７６５２４（Ｐ２００９−１７６５２４Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２８０３（Ｐ２００８−１２８０３）
【出願日】平成２０年１月２３日（２００８．１．２３）
【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１９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、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの）
【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)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２３日（２００８．１．２３）
【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１９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、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの）
【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)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
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