酸化物超電導ケーブル及びその製造方法
【課題】本発明は、酸化物超電導導体の複合化をスロットを用いて効率的、かつ、簡便に行うことができ、個々の酸化物超電導導体について外部から作用すると思われる負荷を軽減して酸化物超電導導体の損傷の問題を回避することができる酸化物超電導ケーブルの提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体が、その基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容されるとともに、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなることを特徴とする。
【解決手段】本発明は、テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体が、その基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容されるとともに、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超電導ケーブルの構造とその製造方法に係り、より詳細には、複数の溝を有するスロットに酸化物超電導導体を収容して構成し、複数の酸化物超電導導体を複合化してなるケーブル構造を提供し、超電導特性の安定性を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になって発見されたＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ ：ＲＥはＹを含む希土類元素）は、液体窒素温度以上で超電導性を示すことから実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体として用いることが強く要望されている。
そして、酸化物超電導体を線材に加工するための方法としては、強度が高く、耐熱性もあり、線材に加工することが容易な金属を長尺のテープ状に加工し、この金属基材上に酸化物超電導体を薄膜状に形成する方法が検討されている。
【０００３】
また、酸化物超電導体はその結晶自体は結晶軸のａ軸方向とｂ軸方向には電気を流し易いが、ｃ軸方向には電気を流しにくいという電気的異方性を有している。従って、基材上に酸化物超電導体を形成する場合には、電気を流す方向にａ軸あるいはｂ軸を配向させ、ｃ軸をその他の方向に配向させる必要がある。
しかしながら、金属基材自体は非結晶もしくは多結晶体であり、その結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、基材上に上記のような結晶配向性の良好な酸化物超電導体膜を形成することは困難である。
そこで、上記のような問題を解決するために、まず金属基材上に熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が基材と酸化物超電導体との中間的な値を示すＭｇＯ、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニウム）、ＳｒＴｉＯ３ 等の材料から成る中間層（バッファー層）を形成し、この中間層の上に酸化物超電導薄膜を形成することが行われている。
【０００４】
そして、上記中間層の製造方法の一例として、イオンビームアシスト法（ＩＢＡＤ法：Ion Beam Assisted Deposition）が知られており、この方法は、スパッタリング法によりターゲットから叩き出した構成粒子を基材上に堆積させる際に、イオン銃から発生されたアルゴンイオン等を同時に斜め方向（例えば、４５度）から照射しながら中間層を堆積させる方法として知られている。このＩＢＡＤ法によれば、基材上の成膜面に対して、高いｃ軸配向性及びａ軸面内配向性を有する中間層を得ることができるので、この中間層上に酸化物超電導薄膜を形成することで超電導特性の優れた酸化物超電導導体を得ることができる。
【０００５】
この酸化物超電導導体を各種コイルや電線として利用する場合、超電導モータや限流器、超電導電線などへの応用開発が進められており、この場合に酸化物超電導導体を用いて可撓性を有するケーブル構造とする必要がある。
この種の超電導ケーブルとして、従来、以下の特許文献１に記載の如く、導体を断熱管内に収容した高温超電導ケーブルであって、前記導体として複数本の導体素線を撚り合わせて構成し、各導体素線として複数本の超電導線材を巻回して構成し、複数の導体素線の絶縁層を一括形成した構造が提供されている。
【０００６】
また、以下の特許文献２に記載の如く、断面円形の金属管からなるフォーマの外周面に複数の超電導線材層をスパイラル状に巻き付け積層してなり、超電導線材層間に半導電性シートを介在させ、それらの外側に内部半導電層と絶縁層と外部半導電層を順次設けた高温超電導ケーブルが知られている。
更に、以下の特許文献３に記載の如く金属パイプのフォーマの外周に導体層と電気絶縁層と磁気遮蔽層と保護層と層間絶縁層とを積層した構造の超電導ケーブルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８７７０５７号公報
【特許文献２】特許第４１１４１２０号公報
【特許文献３】特許第４１７４８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、これら従来の特許文献に記載されているのは、断面円形の導体素線を撚線化したものを管体の内部に複合化した構造の超電導ケーブル、あるいは、金属管体の外周にスパイラル状に巻き付けられた高温超電導線材あるいは多層化された超電導層の配置構造が開示されているのであって、前述の如き基材上に中間層を介し、結晶構造を整えた酸化物超電導層を備えた多層構造の酸化物超電導導体を如何なる構造のケーブルとすれば、超電導特性の優れた安定性の高いケーブル構造と出来るか否かについての開示は見られない。
【０００９】
従って、テープ状の金属基材上に中間層を介し結晶配向性を整えた酸化物超電導層を形成した酸化物超電導導体について、可撓性に優れ、超電導特性の安定性に優れたケーブル構造の提供が望まれている。
また、前述のテープ状の金属基材上に中間層を介し結晶配向性を整えた酸化物超電導層を形成した構造の酸化物超電導導体にあっては、現状の技術において、酸化物超電導層を備えた１本あたりの酸化物超電導導体に流すことができる電流が数１００Ａ程度であるので、これを電力ケーブルとして使用するためには、必要な容量に応じて数本〜数１０本の酸化物超電導導体の複合化が必要であり、それらを一方向に撚線化するためには、酸化物超電導導体の本数分のボビンを装着した相当大がかりな巻線設備が必要であり、このためこの種の酸化物超電導導体をケーブル化するためには設備コストが嵩み、ケーブル自体が極めて高価になってしまう問題がある。
【００１０】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、複数本の酸化物超電導導体の複合化をスロットを用いて効率的、かつ、簡便に行うことができ、個々の酸化物超電導導体について外部から作用すると思われる負荷を軽減して酸化物超電導導体の損傷の問題を回避することができる構造の酸化物超電導ケーブルとその製造方法の提供を目的とする。
また本発明は、スロットにおける酸化物超電導導体の配置を工夫して冷媒による冷却を効率良く行うことができ、超電導特性の安定性を高め、優れた超電導特性を発揮できる構造の酸化物超電導ケーブルとその製造方法の提供を目的とする。
本発明は、スロットに設けた酸化物超電導導体収納用の溝の形状を工夫して酸化物超電導導体の冷却効率を高め、超電導特性に優れた超電導ケーブルとその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体が、その基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容されるとともに、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記溝部の開口部側の溝幅が、前記酸化物超電導導体の幅の１．１〜１．５倍の範囲内に設定されることが好ましい。
本発明において、前記溝部がその底部側よりもその開口部側の方を幅広とした横断面形状とされてなることが好ましい。
本発明において、前記スロットの周方向に複数配列される酸化物超電導導体において、隣接する酸化物超電導導体の酸化物超電導層を含む平面どうしが交差する交差角度が１３５゜以上、１８０℃未満とされてなることが好ましい。
本発明において、前記スロットが、４フッ化ポリエチレン、エチレンプロピレンゴムのいずれかからなることが好ましい。
【００１３】
本発明において、前記スロットが複数本ＳＺ撚りされた構造にすることができる。
本発明において、前記スロットが複数本ＳＺ撚りされ、それらの外側に、内部遮蔽層と、外部遮蔽層と、被覆層が設けられ、前記内部遮蔽層と前記外部遮蔽層との間に冷媒の流通路が形成され、前記スロットの内部に冷媒の流通路が形成されてなる構造にすることができる。
【００１４】
本発明の製造方法は、テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体がその基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容され、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなることを特徴とする酸化物超電導ケーブルの製造方法であって、
前記スロットとして、その周方向に前記複数の溝部を所定の間隔で複数形成してなるスロットを用い、このスロットの複数の溝部に前記酸化物超電導導体を収容した後、複数本の酸化物超電導導体を収容したスロットを複数本まとめてＳＺ撚りすることを特徴とする。
本発明において、前記スロットを、４フッ化ポリエチレン、エチレンプロピレンゴムのいずれかから形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の酸化物超電導ケーブルによれば、スロットの外周部にスロットの長さ方向に沿って設けた複数の溝部に酸化物超電導導体を収納することで複数本の酸化物超電導導体を複合化した酸化物超電導ケーブルを提供することができる。また、スロットの溝部の内側に酸化物超電導導体を収容して個々の酸化物超電導導体をスロットにより保護することができるので、スロットの外側から酸化物超電導導体に作用しようとする圧力などの負荷を軽減することができ、酸化物超電導導体の損傷を抑制できる。
また、酸化物超電導導体をスロットの溝部に収容する場合、溝部の底部側に基材を配置することで基材上の酸化物超電導層を溝幅の広い開口部側に配置することが可能となり、酸化物超電導層を冷却する場合の冷却効率の面で有利な構造とすることができる。
【００１６】
酸化物超電導導体を収容する溝部の幅を酸化物超電導導体の幅の１．１〜１．５倍の範囲とすることにより、溝部内に収容されている状態において酸化物超電導導体の周囲には空間を確実に生成できるので、この空間に冷媒を流通させることで酸化物超電導導体を冷却する場合の冷却効率を高めることができ、良好な超電導特性を維持することができる。また、溝部の幅を過剰に大きくしないようにすることにより、スロットの周方向に隣接される他の酸化物超電導導体との間隔を適度な間隔に調節することができる。
【００１７】
ここで、Ｙ系酸化物超電導体にあっては、臨界電流密度（Ｊｃ）が酸化物超電導体の結晶のＣ軸と磁場のなす角度に依存し、結晶のＣ軸と磁界が平行の時、臨界電流密度が最も小さくなる。Ｙ系酸化物超電導体の結晶のＣ軸方向には超電導電流があまり流れないことから、線材の長手方向に対して磁場が垂直になるように設定することが重要となる。
そのため、スロットの周方向に隣接して配置される酸化物超電導導体において個々の超電導層を含む面が交差する角度を９０゜より大きく、望ましくは１３５゜以上とすることにより、隣接する酸化物超電導層どうしに通電時に発生する磁場が酸化物超電導層のＣ軸に平行になることを避けることができる。
また、スロットの周方向に隣接する酸化物超電導層どうしを含む面の交差する角度を１８０゜未満としたのは、物理的に１８０゜とそれを超える角度はあり得ないためである。
【００１８】
本発明構造においてスロットに複数本の酸化物超電導導体を収容した状態でスロットを複数本ＳＺ撚りするならば、個々の酸化物超電導導体を個別にＳＺ撚りしなくても複数本の酸化物超電導導体を収容したスロットの単位でＳＺ撚りすることにより酸化物超電導導体をＳＺ撚りした構造の酸化物超電導ケーブルを製造することができる。
これにより、酸化物超電導導体を１本単位でＳＺ撚りする構造よりも遙かに簡便な工程でＳＺ撚りした酸化物超電導導体を備えた酸化物超電導ケーブルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る超電導ケーブルに適用する酸化物超電導導体の一例を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る超電導ケーブルに適用する酸化物超電導導体を複数収容したスロットの一例構造を模式的に示す図である。
【図３】本発明に適用する酸化物超電導導体を複数収容するためのスロットの一例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る超電導ケーブルの一例を示す断面図である。
【図５】本発明に係る超電導ケーブルの一例に適用可能なスロットの他の例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る酸化物超電導ケーブルの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に適用される酸化物超電導導体の一例構造を示し、図１に示す構造の酸化物超電導導体Ａを図２、３に示すスロットＢに複数本収容して酸化物超電導集合導体Ｃが構成されるとともに、この酸化物超電導集合導体Ｃを複数本ＳＺ撚りして集合し、それらの周囲を種々の層で覆って図４に示す断面構造の酸化物超電導ケーブルＤが構成されている。
【００２１】
本実施形態に適用される図１に示す酸化物超電導導体Ａは、テープ状の基材１１の上にベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と酸化物超電導層１７とが積層されるとともに、酸化物超電導層１７の上に安定化基層１８と安定化層１９が積層され、これら積層体の全周を絶縁層２０で覆って概略構成されている。なお、酸化物超電導導体Ａの構造においてベッド層１２は略することもできる。
【００２２】
本実施形態の酸化物超電導導体Ａに適用できる基材１１は、通常の超電導線材の基材として使用でき、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のニッケル合金等の各種金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍであることが好ましく、２０〜２００μｍであることがより好ましい。
【００２３】
ベッド層１２は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層１２は、必要に応じて配され、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）等から構成される。このベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。
【００２４】
中間層１５は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層される酸化物超電導層１７の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から選択される。中間層１５の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を例示することができる。
この中間層１５をＩＢＡＤ法により良好な結晶配向性（例えば結晶配向度１５゜以下）で成膜するならば、その上に形成するキャップ層１６の結晶配向性を良好な値（例えば結晶配向度５゜前後）とすることができ、これによりキャップ層１６の上に成膜する酸化物超電導層１７の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できるようにすることができる。
【００２５】
中間層１５の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．００５〜２μｍの範囲とすることができる。
中間層１５は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＢＡＤ法と略記する）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）；溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、酸化物超電導層１７やキャップ層の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、下地の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる中間層１５は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。
【００２６】
キャップ層１６は、前記中間層１５の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層は、前記金属酸化物層からなる中間層１５よりも高い面内配向度が得られる。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
【００２７】
このＣｅＯ２ 層は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが望ましい。ＰＬＤ法によるＣｅＯ２ 層の成膜条件としては、基材温度約５００〜１０００℃、約０．６〜１００Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
ＣｅＯ２ 層の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましく、５００ｎｍ以上であれば更に好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５００〜１０００ｎｍとすることが好ましい。
【００２８】
酸化物超電導層１７は公知のもので良く、具体的には、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものを例示できる。この酸化物超電導層１７として、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ ）などを例示することができる。
酸化物超電導層１７は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等で積層することができ、なかでも生産性の観点から、ＴＦＡ−ＭＯＤ法（トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法）、ＰＬＤ法又はＣＶＤ法を用いることが好ましい。
このＭＯＤ法は、金属有機酸塩を塗布後熱分解させるもので、金属成分の有機化合物を均一に溶解した溶液を基材上に塗布した後、これを加熱して熱分解させることにより基材上に薄膜を形成する方法であり、真空プロセスを必要とせず、低コストで高速成膜が可能であるため長尺のテープ状酸化物超電導導体の製造に適している。
【００２９】
ここで前述のように、良好な配向性を有するキャップ層１６上に酸化物超電導層１７を形成すると、このキャップ層１６上に積層される酸化物超電導層１７もキャップ層１６の配向性に整合するように結晶化する。よって前記キャップ層１６上に形成された酸化物超電導層１７は、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層１７を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、金属基材１１の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、金属基材１１の長さ方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向している。従って得られた酸化物超電導層１６は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、金属基材２の長さ方向に電気を流し易くなり、十分に高い臨界電流密度が得られる。
【００３０】
酸化物超電導層１７の上に積層されている安定化基層１８はＡｇなどの良電導性かつ酸化物超電導層１７と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる層として形成される。また、安定化層１９は銅などの良導電性の金属材料からなり、安定化基層１８を構成するＡｇよりも厚く形成しても安価な材料からなることが好ましい。
そして、これらの積層体（基材１１とベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と酸化物超電導層１７と安定化基層１８と安定化層１９の積層体）の全周を覆ってポリイミドなどの絶縁材料製のテープを巻回してなる絶縁層２０が形成され、絶縁被覆付きの酸化物超電導導体Ａが構成されている。
【００３１】
以上説明の積層構造とされた酸化物超電導導体Ａは、図２、図３に示す構造の管状のスロットＢの外周に形成されている螺旋状の溝部２６に収容されている。
このスロットＢは、ポリ４フッ化エチレン（テフロン：登録商標：ディユポン社）あるいはＥＰ（エチレンプロピレン）ゴムなどの耐熱性の樹脂材料からなる管体２５の外周面に螺旋状の溝部２６が管体２５の長さ方向に沿って複数相互に所定の間隔をあけた状態で形成されてなる。なお、これらの溝部２６は、それらの底部２６ａ側の溝幅よりも開口部２６ｂ側の溝幅の方が幅広とされた外拡がり状の溝とされ、これらの溝部２６の底部２６ａに接するように酸化物超電導導体Ａが設置されている。また、スロットＢの中心部には冷媒往路（流通路）２８を構成するための流通孔がその長さ方向全長に形成されている。
【００３２】
このスロットＢの溝部２６において底部２６ａの溝幅は酸化物超電導導体Ａの幅（絶縁層２０を含む酸化物超電導導体Ａの全体幅）の１．１倍〜１．５倍の範囲内であることが好ましい。
【００３３】
前記溝部２６において底部２６ａの溝幅を上述の範囲とすることにより、酸化物超電導導体Ａの周囲の溝部２６の内部に適度な空間を確保できるので、この部分に冷媒が存在する場合に酸化物超電導導体Ａの冷却効率を高めることができ、超電導特性の安定化に寄与する。
更に、溝部２６において底部２６ａ側よりも開口部２６ｂ側の方を幅広に形成しているので、酸化物超電導導体Ａの周囲の溝部２６の開口部側に更に適度な空間を確保することができ、この部分に冷媒が存在する場合に酸化物超電導導体Ａの冷却効率を高めることができ、超電導特性の安定化に寄与する。
また、溝部２６において底部２６ａ側の溝幅を酸化物超電導導体Ａの幅の１．１倍〜１．５倍の範囲とすることにより、溝部２６の幅を過剰に大きくしないようにしているので、スロットＢの周方向に隣接される他の酸化物超電導導体Ａとの間隔を適度な間隔に調節することができる。
【００３４】
前記スロットＢの外周に形成されている溝部２６は、この例では図３に示す如くスロットＢの外周面の周方向に等間隔で１０本螺旋状に形成されている。そして各溝部２６に酸化物超電導導体Ａがその基材１１側を溝部２６の底部２６ａ側に向けて溝底に接するように収容されている。この例ではスロットＢに対して１０本の酸化物超電導導体Ａが集合された状態とされ、スロットＢに１０本の酸化物超電導導体Ａを複合化することにより酸化物超電導集合導体Ｃが構成されている。
【００３５】
なお、この実施形態ではスロットＢに１０本の溝部２６を形成しているので１０本の酸化物超電導導体Ａを複合化しているが、スロットＢに形成する溝部２６の本数は複合化しようとする酸化物超電導導体の本数に合わせて適宜な数を選択すれば良い。
なお、スロット１０の外周に酸化物超電導導体Ａを複数本配置するので、スロット１０に対してあまりに多くの酸化物超電導導体Ａを複合すると、スロットＢの外周に沿って隣接する酸化物超電導導体Ａどうしが接近しすぎることとなる。
【００３６】
前記スロットＢの外周部の複数の溝部２６の間には螺旋型の凸条２５ａが形成され、各凸条２５ａの上面により構成されるスロットＢの周面には、図３に示すようにスロットＢの全周を囲む環状の溝２５ｂが所定の間隔でスロットＢの全長にわたり複数間欠的に形成されている。前記溝２５ｂはこの形態ではＶ字状に形成され、スロットＢの周方向に隣接する溝部２６、２６を結ぶように形成されている。
スロットＢに間欠的に複数の溝２５ｂを形成しておくことで、スロットＢの撓曲性が向上するので、スロットＢを後述の如く撚線加工する場合に有利となる。なお、溝２５ｂは凸条２５ａを介して隣接する溝部２６、２６を連通しているので、冷媒が複数の溝部２６を流れる場合のバイパス路となって冷媒の流通性を向上させる。
【００３７】
更に、本実施形態の構造においては、パイプ状のスロットＢに対してその周回りに酸化物超電導導体Ａを配置しているので、スロットＢの周方向に隣接する酸化物超電導導体Ａの酸化物超電導層１７を含む面がなす角度を１３５゜以上、１８０゜未満の範囲とすることが好ましい。ここで、酸化物超電導層１７を含む面とは、図２に示す如く酸化物超電導導体Ａを収容した酸化物超電導集合導体Ｃを横断面視した場合、酸化物超電導層１７の面方向、換言すると、酸化物超電導層１７が形成されているテープ状の基材１１の面方向、あるいは、溝部２６の底面とも表現できる。従って、スロットＢの周方向に隣接する酸化物超電導導体Ａの酸化物超電導層１７どうしは、１３５゜以上の角度、１８０゜未満の角度でもってスロットＢの周面近くに配置されている。
【００３８】
これは、各酸化物超電導層１７に通電した場合、各酸化物超電導層１７の周囲に磁場が生成するが、酸化物超電導層１７が発生させた磁場が、隣接する他の酸化物超電導層１７に与える磁気的影響を出来る限り少なくするためである。スロットＢの周方向に隣接する酸化物超電導層１７の面どうしのなす角度が９０゜を下回るようであると、隣接する酸化物超電導層１７どうしの発生させる磁場で酸化物超電導層１７自体の超電導特性に影響を及ぼすおそれがある。
即ち、Ｙ系酸化物超電導体にあっては、臨界電流密度（Ｊｃ）が酸化物超電導体の結晶のＣ軸と磁場のなす角度に依存し、結晶のＣ軸と磁界が平行の時、臨界電流密度が最も小さくなる。Ｙ系酸化物超電導体の結晶のＣ軸方向には超電導電流があまり流れないことから、線材の長手方向に対して磁場が垂直になるように設定することが重要となる。
そのため、スロットの周方向に隣接して配置される酸化物超電導導体において個々の超電導層を含む面が交差する角度を９０゜より大きく、望ましくは１３５゜以上とすることにより、隣接する酸化物超電導層どうしに通電時に発生する磁場が酸化物超電導層のＣ軸に平行になることを避けることができる。
また、スロットの周方向に隣接する酸化物超電導層どうしを含む面の交差する角度を１８０゜未満としたのは、物理的に１８０゜はあり得ないためである。
【００３９】
図４に示す酸化物超電導ケーブルＤは、前記構成の酸化物超電導集合導体Ｃの周囲に内部遮蔽層３０と絶縁層３１と外部遮蔽層３２とを順次被覆し、更にこれらを３本ＳＺ撚りして撚線導体として配置し、そのＳＺ撚線導体の外方に、内部保護パイプ３４と断熱層３５と外部保護パイプ３６と防食層３７とからなる被覆層３９を順次配置することで構成されている。
なお、前記内部保護パイプ３４と外部保護パイプ３６は屈曲性を確保するため、コルゲート形状を呈していることが好ましい。
前記内部遮蔽層３０は、前記スロットＢの外面に巻回された銅テープなどの導電テープ３０ａとこの導電テープ３０ａの外方にカーボンテープなどを巻回して構成された半導電層３０ｂとから構成され、前記外部遮蔽層３２は、絶縁層３１の外方にカーボンテープなどを巻回して構成された半導電層３２ａと半導電層３２ａの外方に巻回された銅テープなどの導電テープ３２ｂとから構成されている。前記絶縁層３１は、クラフト紙あるいは合成紙（ポリプロピレンラミネート紙：ＰＰＬＰ）などからなり、絶縁耐圧を確保するために設けられている。なお、この絶縁層３１が絶縁テープを巻回して構成されたものであるので、その外側の後述する冷媒復路３８を流れる冷媒の液体窒素が半導電層３２ａを介してこの部分に染み込んできて絶縁特性の向上に寄与する。
【００４０】
前記ＳＺ撚線導体とした３本の酸化物超電導集合導体Ｃの外方には、酸化物超電導集合導体Ｃの外周の外部遮蔽層３２と、その外側に位置する内部保護パイプ３４とによって冷媒復路（流通路）３８が区画されている。この冷媒復路３８は、液体窒素などの冷媒が流される流路であり、酸化物超電導ケーブルＤの一端側でこの冷媒復路３８と前記スロットＢ内部の冷媒往路（流通路）２８とを接続し、他端側で冷媒往路２８と冷媒復路３８を図示略の液体窒素などの冷媒供給源に接続し、この冷媒供給源から冷媒往路２８に冷媒を供給し、冷媒復路３８を介して冷媒を戻すことで、酸化物超電導ケーブルＤの全長にわたり冷媒の循環ができるようになっている。
【００４１】
なお、酸化物超電導導体Ａを冷却するための冷媒は冷媒往路２８に加え、酸化物超電導導体Ａを収容しているスロットＢの溝部２６にも流通させるものとする。スロットＢの外周面は内部遮蔽層３０が覆っているので酸化物超電導導体Ａを収容した溝部２６は冷媒の流通路とされており、この溝部２６を流れる冷媒により酸化物超電導導体Ａを効率良く冷却することができる。なお、酸化物超電導導体ＡはスロットＢの溝部底面に接するように溝部２６に収容されているので、冷媒により冷却されたスロットＢを介し熱伝導によっても冷却される。酸化物超電導導体ＡはスロットＢ側からの熱伝導による冷却効果と溝部２６を流通する冷媒の冷却効果を合わせて効率的に冷却される。
【００４２】
前記内部保護管３４と外部保護管３６は、ステンレス鋼あるいはアルミニウムなどの金属材料からなるもので、この例では、屈曲性を確保するためにコルゲート加工されており、防食層３７は防食用の樹脂被覆層からなる。前記内部保護パイプ３４は、厚さ１.５〜２ｍｍ程度のステンレス鋼などの金属材料からなり、断熱層３５は、スーパーインシューションなどを巻回して構成された厚さ１０〜２０ｍｍ程度のものである。
【００４３】
前記酸化物超電導ケーブルＤを製造するには、まず、スロットＢの溝部２６の数に合わせた複数本の酸化物超電導導体Ａを用意し、これらをスロットＢの溝部２６に沿って挿入しつつ個々に螺旋状に巻き付け、酸化物超電導集合導体Ｃを得る。なお、一般的な酸化物超電導導体Ａは数ｍｍ〜数ｃｍ程度の幅であるので、スロットＢの外径と、スロットＢに形成する溝部２６の数に応じてスロットＢに収容する酸化物超電導導体Ａの数は適宜の数を選択できる。
そして、用意した酸化物超電導集合導体Ｃに導電テープ３２ａと半導電テープ３２ｂを順次巻き付けて内部遮蔽層３０を形成し、その上に絶縁テープを巻き付けて絶縁層３１を形成し、その上に半導電テープ３２ａと銅の導電テープ３２ｂを巻き付けて外部遮蔽層３２を形成したものを複数本、例えば３本〜１０数本程度集合し、これらをＳＺ撚りする。
次に、これらＳＺ撚りした複数本の酸化物超電導集合導体Ｃの外方に、内部保護パイプ３４を被せ、スーパーインシュレーションを巻き付けて断熱層３５を形成し、最後に外部保護パイプ３６を被せて防食層３７を形成し、図４に示す断面構造の酸化物超電導ケーブルＤを得ることができる。
【００４４】
前記酸化物超電導集合導体ＣをＳＺ撚りするには、例えば、本出願人が特開平９−１０５０８５号公報あるいは特開平１１−２４７０７９号公報などにおいて開示しているＳＺ撚りが可能なＳＺ撚り線の製造装置を用いればよい。ＳＺ撚りとは、Ｓ撚り（右撚り）とＺ撚り（左撚り）とが反転位置を介して交互に繰り返し撚られている構造なので、酸化物超電導導体Ａを複数本備えたスロットＢからなる酸化物超電導集合導体Ｃを複数本、ＳＺ撚りするための上記公報等に記載のダイス装置を用い、スロットＢの長さ方向に所定の間隔でＳ撚りとＺ撚りとを繰り返し反転位置を介し撚り込むことでＳＺ撚りを実現することができる。
【００４５】
前述の如くスロットＢの溝部２６酸化物超電導導体Ａを収容しているスロットＢの状態でＳＺ撚りするならば、酸化物超電導導体をボビンに巻き付けたものを必要数用意し、これらのボビンから酸化物超電導導体を必要本数繰り出すようにして酸化物超電導導体をＳＺ撚線化して複合化する製造方法に比べ、ＳＺ撚線作業を簡略化することができ、ＳＺ撚線化する装置を小型化することができる。従って、複数のボビンを用いて個別にＳＺ撚線化して複合化する装置を用いる方法より、遙かに安価な装置でＳＺ撚線化した酸化物超電導ケーブルＤを得ることができる。
【００４６】
以上説明の如く構成した酸化物超電導ケーブルＤであるならば、スロットＢの冷媒往路２８と溝部２６に流通させる液体窒素の冷媒を用いて効率良く酸化物超電導導体Ａを冷却することができる。そして、スロットＢの外周に配置した酸化物超電導導体Ａはそれらの酸化物超電導層１７をスロットＢの周方向に隣接するものどうしのなす角度を１３５゜〜１８０゜の範囲に配置してなり、隣接する酸化物超電導導体Ａ同士の磁気的影響を少なくする配置をしているので、超電導特性の劣化を起こすことが無いので、目的の容量に合わせた複合数に見合った通電容量を確保することができるとともに、超電導特性の安定した酸化物超電導ケーブルＤを提供することができる。
【００４７】
図５は本発明に適用するスロットの他の実施形態を示すもので、この形態のスロットＥは、予めスロットＥの外周面にＳＺ撚りが可能なように、ＳＺ撚り形状に溝部３６を形成したものである。
溝部３６は図５に示す如くＳ撚り形状とされた領域３６ＡとＺ撚り形状とされた領域３６Ｂが反転部３６Ｃを介してスロットＥの長さ方向に交互に形成された形状とされている。
このような溝部３６に対し先に説明の酸化物超電導導体Ａを収容するならば、スロットＥに対してＳＺ撚りした状態の酸化物超電導集合導体とすることが可能であり、この酸化物超電導集合導体を必要本数用いて超電導ケーブルを構成することも可能である。
【実施例】
【００４８】
金属基材として、表面を研磨した１０ｍｍ幅のハステロイテープ（ハステロイＣ２７６：米国ヘインズ社商品名）を使用した。この金属基材上に、中間層を構成する第一層としてＩＢＡＤ法によってＭｇＯ膜（１０ｎｍ）を形成した。
次いで、このＭｇＯ膜上に、中間層を構成する第二層としてＩＢＡＤ法によって２００ｎｍの厚さのＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７膜を積層形成した。このときＭｇＯ膜及びＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７膜は、２００℃以下の基材温度で、Ａｒの希ガスイオンビームによるイオンビームアシストを行いながら作製した。
【００４９】
さらに前記Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７膜上に、ＰＬＤ法によってＣｅＯ２ 膜のキャップ層を５００ｎｍ積層形成した。このキャップ層上にＹ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ ）系超電導層をＰＬＤ法によって１５００ｎｍの厚さに形成し、その上にＡｇからなる厚さ１０μｍの安定化層を形成した。その上に厚さ１００μｍのＣｕの安定化層を積層し、これら積層体の全周にポリイミド絶縁テープを巻回して絶縁層を被覆形成し、酸化物超電導導体を得た。
この酸化物超電導導体の超電導特性を評価した結果、液体窒素温度にて、臨界電流密度Ｊｃ＝２ＭＡ／ｃｍ２ 、臨界電流Ｉｃ＝３００Ａの高特性が得られていることを確認できた。
【００５０】
次に、ポリ４フッ化エチレン（テフロン：登録商標：デュポン社）製の内径２２ｍｍ、外径４０ｍｍ、長さ５０ｍのパイプ状であって、その外周面の周方向に等間隔で８本の溝部を螺旋状に形成してなるスロットを用意した。
上記構造の長さ５０ｍのスロットに対し前記構造の長さ６０ｍの酸化物超電導導体を用意し、スロットの各溝部に上述の酸化物超電導導体を挿入して収容した後、同等構造のスロットを３本用意し、これらをまとめてピッチ４００ｍｍのＳＺ撚り加工してＳＺ撚りした撚り線状の酸化物超電導ケーブル素線を得た。
【００５１】
次いでこの酸化物超電導ケーブル素線の外方に厚さ０.１ｍｍの銀テープを巻回し、更にカーボンを含有した半導電テープを巻回して内部遮蔽層を形成し、その上にクラフト紙を巻回して絶縁層を形成した。この時の絶縁層の厚さは６〜７ｍｍとして高電圧の電気絶縁にも耐え得る構造とした。そして、前記絶縁層の上に、半導電テープと厚さ０.１ｍｍの銅テープを巻回し、交流用ケーブルとした。
次に銅テープの上に、直径５ｍｍのポリ４フッ化エチレン（テフロン：登録商標：デュポン社）製ワイヤーを数本巻回し、更に、外径８２ｍｍ、内径７５ｍｍのステンレス鋼からなる内部保護パイプに挿入し、コルゲート加工して外径８２ｍｍ、内径６５ｍｍとした。この内部保護パイプの内側が冷媒復路となる。更にこの内部保護パイプの上にスーパーインシュレーションを巻き付け、その外部にステンレス鋼製の外部保護パイプを被せ、コルゲート加工し、その外側にビニル防食を施して外径１２０ｍｍの酸化物超電導電力ケーブルを得た。
【００５２】
この酸化物超電導電力ケーブルについて、スロット内部の冷媒流通路と内部保護パイプの内側の冷媒流通路を用いて液体窒素の循環を行い、全体を７７Ｋに冷却し、外部磁場０Ｔにおいて通電試験を行った。
【００５３】
次に、上述のスロットに対し、その外周面に形成する溝部の数と間隔を調整してスロットの周面に沿って隣接する溝部の位置を変えてスロットの周面に沿って配置される酸化物超電導層どうしのなす角度の影響について試験した。なお、スロットの周方向に沿って隣接する溝部の底面どうしのなす角度は、各溝部にテープ状の酸化物超電導導体を配置した場合、スロットの周方向に沿って隣接する酸化物超電導層どうしのなす角度に相当すると近似している。表１において隣接酸化物超電導層どうしがなす角度１３５゜は、上述した８本の酸化物超電導導体をスロットに複合化した場合の例に相当する。
なお、テープ状の酸化物超電導導体の幅は複合化本数に併せて２ｍｍ、８ｍｍに変更した。
「表１」
隣接酸化物超電導層 複合化本数 １２０゜相対 テープ幅
どうしのなす角度 交流損失
１５７．５゜ １６本 ０．００１２５ ２ｍｍ
１３５゜ ８本 ０．０７５ ８ｍｍ
１２０゜ ６本 １ １０ｍｍ
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、従来から銅線などの金属製導体で製造されていたコイルや電線などのうち、超電導線材に置き換えが期待されている超電導モータ、限流器、超電導電線などへの適用が可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
Ａ…酸化物超電導導体、Ｂ、Ｅ…スロット、Ｃ…酸化物超電導集合導体、Ｄ…超電導ケーブル、１１…基材、１２…ベッド層、１５…中間層、１６…キャップ層、１７…超電導層、１８…安定化基層、１９…安定化層、２０…絶縁層、２５…管体、２５ａ…凸条、２５ｂ…溝、２６…溝部、２６ａ…底部、２６ｂ…開口部、２８…冷媒往路（流通路）、３０…内部遮蔽層、３１…絶縁層、３４…内部保護管、３５…断熱層、３６…外部保護管、３７…防食層、３８…冷媒復路（流通路）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物超電導ケーブルの構造とその製造方法に係り、より詳細には、複数の溝を有するスロットに酸化物超電導導体を収容して構成し、複数の酸化物超電導導体を複合化してなるケーブル構造を提供し、超電導特性の安定性を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になって発見されたＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ ：ＲＥはＹを含む希土類元素）は、液体窒素温度以上で超電導性を示すことから実用上極めて有望な素材とされており、これを線材に加工して電力供給用の導体として用いることが強く要望されている。
そして、酸化物超電導体を線材に加工するための方法としては、強度が高く、耐熱性もあり、線材に加工することが容易な金属を長尺のテープ状に加工し、この金属基材上に酸化物超電導体を薄膜状に形成する方法が検討されている。
【０００３】
また、酸化物超電導体はその結晶自体は結晶軸のａ軸方向とｂ軸方向には電気を流し易いが、ｃ軸方向には電気を流しにくいという電気的異方性を有している。従って、基材上に酸化物超電導体を形成する場合には、電気を流す方向にａ軸あるいはｂ軸を配向させ、ｃ軸をその他の方向に配向させる必要がある。
しかしながら、金属基材自体は非結晶もしくは多結晶体であり、その結晶構造も酸化物超電導体と大きく異なるために、基材上に上記のような結晶配向性の良好な酸化物超電導体膜を形成することは困難である。
そこで、上記のような問題を解決するために、まず金属基材上に熱膨張率や格子定数等の物理的な特性値が基材と酸化物超電導体との中間的な値を示すＭｇＯ、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニウム）、ＳｒＴｉＯ３ 等の材料から成る中間層（バッファー層）を形成し、この中間層の上に酸化物超電導薄膜を形成することが行われている。
【０００４】
そして、上記中間層の製造方法の一例として、イオンビームアシスト法（ＩＢＡＤ法：Ion Beam Assisted Deposition）が知られており、この方法は、スパッタリング法によりターゲットから叩き出した構成粒子を基材上に堆積させる際に、イオン銃から発生されたアルゴンイオン等を同時に斜め方向（例えば、４５度）から照射しながら中間層を堆積させる方法として知られている。このＩＢＡＤ法によれば、基材上の成膜面に対して、高いｃ軸配向性及びａ軸面内配向性を有する中間層を得ることができるので、この中間層上に酸化物超電導薄膜を形成することで超電導特性の優れた酸化物超電導導体を得ることができる。
【０００５】
この酸化物超電導導体を各種コイルや電線として利用する場合、超電導モータや限流器、超電導電線などへの応用開発が進められており、この場合に酸化物超電導導体を用いて可撓性を有するケーブル構造とする必要がある。
この種の超電導ケーブルとして、従来、以下の特許文献１に記載の如く、導体を断熱管内に収容した高温超電導ケーブルであって、前記導体として複数本の導体素線を撚り合わせて構成し、各導体素線として複数本の超電導線材を巻回して構成し、複数の導体素線の絶縁層を一括形成した構造が提供されている。
【０００６】
また、以下の特許文献２に記載の如く、断面円形の金属管からなるフォーマの外周面に複数の超電導線材層をスパイラル状に巻き付け積層してなり、超電導線材層間に半導電性シートを介在させ、それらの外側に内部半導電層と絶縁層と外部半導電層を順次設けた高温超電導ケーブルが知られている。
更に、以下の特許文献３に記載の如く金属パイプのフォーマの外周に導体層と電気絶縁層と磁気遮蔽層と保護層と層間絶縁層とを積層した構造の超電導ケーブルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８７７０５７号公報
【特許文献２】特許第４１１４１２０号公報
【特許文献３】特許第４１７４８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、これら従来の特許文献に記載されているのは、断面円形の導体素線を撚線化したものを管体の内部に複合化した構造の超電導ケーブル、あるいは、金属管体の外周にスパイラル状に巻き付けられた高温超電導線材あるいは多層化された超電導層の配置構造が開示されているのであって、前述の如き基材上に中間層を介し、結晶構造を整えた酸化物超電導層を備えた多層構造の酸化物超電導導体を如何なる構造のケーブルとすれば、超電導特性の優れた安定性の高いケーブル構造と出来るか否かについての開示は見られない。
【０００９】
従って、テープ状の金属基材上に中間層を介し結晶配向性を整えた酸化物超電導層を形成した酸化物超電導導体について、可撓性に優れ、超電導特性の安定性に優れたケーブル構造の提供が望まれている。
また、前述のテープ状の金属基材上に中間層を介し結晶配向性を整えた酸化物超電導層を形成した構造の酸化物超電導導体にあっては、現状の技術において、酸化物超電導層を備えた１本あたりの酸化物超電導導体に流すことができる電流が数１００Ａ程度であるので、これを電力ケーブルとして使用するためには、必要な容量に応じて数本〜数１０本の酸化物超電導導体の複合化が必要であり、それらを一方向に撚線化するためには、酸化物超電導導体の本数分のボビンを装着した相当大がかりな巻線設備が必要であり、このためこの種の酸化物超電導導体をケーブル化するためには設備コストが嵩み、ケーブル自体が極めて高価になってしまう問題がある。
【００１０】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、複数本の酸化物超電導導体の複合化をスロットを用いて効率的、かつ、簡便に行うことができ、個々の酸化物超電導導体について外部から作用すると思われる負荷を軽減して酸化物超電導導体の損傷の問題を回避することができる構造の酸化物超電導ケーブルとその製造方法の提供を目的とする。
また本発明は、スロットにおける酸化物超電導導体の配置を工夫して冷媒による冷却を効率良く行うことができ、超電導特性の安定性を高め、優れた超電導特性を発揮できる構造の酸化物超電導ケーブルとその製造方法の提供を目的とする。
本発明は、スロットに設けた酸化物超電導導体収納用の溝の形状を工夫して酸化物超電導導体の冷却効率を高め、超電導特性に優れた超電導ケーブルとその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体が、その基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容されるとともに、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記溝部の開口部側の溝幅が、前記酸化物超電導導体の幅の１．１〜１．５倍の範囲内に設定されることが好ましい。
本発明において、前記溝部がその底部側よりもその開口部側の方を幅広とした横断面形状とされてなることが好ましい。
本発明において、前記スロットの周方向に複数配列される酸化物超電導導体において、隣接する酸化物超電導導体の酸化物超電導層を含む平面どうしが交差する交差角度が１３５゜以上、１８０℃未満とされてなることが好ましい。
本発明において、前記スロットが、４フッ化ポリエチレン、エチレンプロピレンゴムのいずれかからなることが好ましい。
【００１３】
本発明において、前記スロットが複数本ＳＺ撚りされた構造にすることができる。
本発明において、前記スロットが複数本ＳＺ撚りされ、それらの外側に、内部遮蔽層と、外部遮蔽層と、被覆層が設けられ、前記内部遮蔽層と前記外部遮蔽層との間に冷媒の流通路が形成され、前記スロットの内部に冷媒の流通路が形成されてなる構造にすることができる。
【００１４】
本発明の製造方法は、テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体がその基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容され、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなることを特徴とする酸化物超電導ケーブルの製造方法であって、
前記スロットとして、その周方向に前記複数の溝部を所定の間隔で複数形成してなるスロットを用い、このスロットの複数の溝部に前記酸化物超電導導体を収容した後、複数本の酸化物超電導導体を収容したスロットを複数本まとめてＳＺ撚りすることを特徴とする。
本発明において、前記スロットを、４フッ化ポリエチレン、エチレンプロピレンゴムのいずれかから形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の酸化物超電導ケーブルによれば、スロットの外周部にスロットの長さ方向に沿って設けた複数の溝部に酸化物超電導導体を収納することで複数本の酸化物超電導導体を複合化した酸化物超電導ケーブルを提供することができる。また、スロットの溝部の内側に酸化物超電導導体を収容して個々の酸化物超電導導体をスロットにより保護することができるので、スロットの外側から酸化物超電導導体に作用しようとする圧力などの負荷を軽減することができ、酸化物超電導導体の損傷を抑制できる。
また、酸化物超電導導体をスロットの溝部に収容する場合、溝部の底部側に基材を配置することで基材上の酸化物超電導層を溝幅の広い開口部側に配置することが可能となり、酸化物超電導層を冷却する場合の冷却効率の面で有利な構造とすることができる。
【００１６】
酸化物超電導導体を収容する溝部の幅を酸化物超電導導体の幅の１．１〜１．５倍の範囲とすることにより、溝部内に収容されている状態において酸化物超電導導体の周囲には空間を確実に生成できるので、この空間に冷媒を流通させることで酸化物超電導導体を冷却する場合の冷却効率を高めることができ、良好な超電導特性を維持することができる。また、溝部の幅を過剰に大きくしないようにすることにより、スロットの周方向に隣接される他の酸化物超電導導体との間隔を適度な間隔に調節することができる。
【００１７】
ここで、Ｙ系酸化物超電導体にあっては、臨界電流密度（Ｊｃ）が酸化物超電導体の結晶のＣ軸と磁場のなす角度に依存し、結晶のＣ軸と磁界が平行の時、臨界電流密度が最も小さくなる。Ｙ系酸化物超電導体の結晶のＣ軸方向には超電導電流があまり流れないことから、線材の長手方向に対して磁場が垂直になるように設定することが重要となる。
そのため、スロットの周方向に隣接して配置される酸化物超電導導体において個々の超電導層を含む面が交差する角度を９０゜より大きく、望ましくは１３５゜以上とすることにより、隣接する酸化物超電導層どうしに通電時に発生する磁場が酸化物超電導層のＣ軸に平行になることを避けることができる。
また、スロットの周方向に隣接する酸化物超電導層どうしを含む面の交差する角度を１８０゜未満としたのは、物理的に１８０゜とそれを超える角度はあり得ないためである。
【００１８】
本発明構造においてスロットに複数本の酸化物超電導導体を収容した状態でスロットを複数本ＳＺ撚りするならば、個々の酸化物超電導導体を個別にＳＺ撚りしなくても複数本の酸化物超電導導体を収容したスロットの単位でＳＺ撚りすることにより酸化物超電導導体をＳＺ撚りした構造の酸化物超電導ケーブルを製造することができる。
これにより、酸化物超電導導体を１本単位でＳＺ撚りする構造よりも遙かに簡便な工程でＳＺ撚りした酸化物超電導導体を備えた酸化物超電導ケーブルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る超電導ケーブルに適用する酸化物超電導導体の一例を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る超電導ケーブルに適用する酸化物超電導導体を複数収容したスロットの一例構造を模式的に示す図である。
【図３】本発明に適用する酸化物超電導導体を複数収容するためのスロットの一例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る超電導ケーブルの一例を示す断面図である。
【図５】本発明に係る超電導ケーブルの一例に適用可能なスロットの他の例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る酸化物超電導ケーブルの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に適用される酸化物超電導導体の一例構造を示し、図１に示す構造の酸化物超電導導体Ａを図２、３に示すスロットＢに複数本収容して酸化物超電導集合導体Ｃが構成されるとともに、この酸化物超電導集合導体Ｃを複数本ＳＺ撚りして集合し、それらの周囲を種々の層で覆って図４に示す断面構造の酸化物超電導ケーブルＤが構成されている。
【００２１】
本実施形態に適用される図１に示す酸化物超電導導体Ａは、テープ状の基材１１の上にベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と酸化物超電導層１７とが積層されるとともに、酸化物超電導層１７の上に安定化基層１８と安定化層１９が積層され、これら積層体の全周を絶縁層２０で覆って概略構成されている。なお、酸化物超電導導体Ａの構造においてベッド層１２は略することもできる。
【００２２】
本実施形態の酸化物超電導導体Ａに適用できる基材１１は、通常の超電導線材の基材として使用でき、高強度であれば良く、長尺のケーブルとするためにテープ状であることが好ましく、耐熱性の金属からなるものが好ましい。例えば、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のニッケル合金等の各種金属材料、もしくはこれら各種金属材料上にセラミックスを配したもの、等が挙げられる。各種耐熱性の金属の中でも、ニッケル合金が好ましい。なかでも、市販品であれば、ハステロイ（米国ヘインズ社製商品名）が好適であり、ハステロイとして、モリブデン、クロム、鉄、コバルト等の成分量が異なる、ハステロイＢ、Ｃ、Ｇ、Ｎ、Ｗ等のいずれの種類も使用できる。基材１１の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍであることが好ましく、２０〜２００μｍであることがより好ましい。
【００２３】
ベッド層１２は、耐熱性が高く、界面反応性を低減するためのものであり、その上に配される膜の配向性を得るために用いる。このようなベッド層１２は、必要に応じて配され、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）等から構成される。このベッド層は、例えばスパッタリング法等の成膜法により形成され、その厚さは例えば１０〜２００ｎｍである。
【００２４】
中間層１５は、単層構造あるいは複層構造のいずれでも良く、その上に積層される酸化物超電導層１７の結晶配向性を制御するために２軸配向する物質から選択される。中間層１５の好ましい材質として具体的には、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の金属酸化物を例示することができる。
この中間層１５をＩＢＡＤ法により良好な結晶配向性（例えば結晶配向度１５゜以下）で成膜するならば、その上に形成するキャップ層１６の結晶配向性を良好な値（例えば結晶配向度５゜前後）とすることができ、これによりキャップ層１６の上に成膜する酸化物超電導層１７の結晶配向性を良好なものとして優れた超電導特性を発揮できるようにすることができる。
【００２５】
中間層１５の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良いが、通常は、０．００５〜２μｍの範囲とすることができる。
中間層１５は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＢＡＤ法と略記する）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）；溶射等、酸化物薄膜を形成する公知の方法で積層できる。特に、ＩＢＡＤ法で形成された前記金属酸化物層は、結晶配向性が高く、酸化物超電導層１７やキャップ層の結晶配向性を制御する効果が高い点で好ましい。ＩＢＡＤ法とは、蒸着時に、下地の蒸着面に対して所定の角度でイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。通常は、イオンビームとして、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを使用する。例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる中間層１５は、ＩＢＡＤ法における結晶配向度を表す指標であるΔΦ（ＦＷＨＭ：半値全幅）の値を小さくできるため、特に好適である。
【００２６】
キャップ層１６は、前記中間層１５の表面に対してエピタキシャル成長し、その後、横方向（面方向）に粒成長（オーバーグロース）して、結晶粒が面内方向に選択成長するという過程を経て形成されたものが好ましい。このようなキャップ層は、前記金属酸化物層からなる中間層１５よりも高い面内配向度が得られる。
キャップ層の材質は、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、好ましいものとして具体的には、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｚｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等が例示できる。キャップ層の材質がＣｅＯ２である場合、キャップ層は、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいても良い。
【００２７】
このＣｅＯ２ 層は、ＰＬＤ法（パルスレーザ蒸着法）、スパッタリング法等で成膜することができるが、大きな成膜速度を得られる点でＰＬＤ法を用いることが望ましい。ＰＬＤ法によるＣｅＯ２ 層の成膜条件としては、基材温度約５００〜１０００℃、約０．６〜１００Ｐａの酸素ガス雰囲気中で行うことができる。
ＣｅＯ２ 層の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよいが、十分な配向性を得るには１００ｎｍ以上が好ましく、５００ｎｍ以上であれば更に好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５００〜１０００ｎｍとすることが好ましい。
【００２８】
酸化物超電導層１７は公知のもので良く、具体的には、ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｇｄ等の希土類元素を表す）なる材質のものを例示できる。この酸化物超電導層１７として、Ｙ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ ）又はＧｄ１２３（ＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ ）などを例示することができる。
酸化物超電導層１７は、スパッタ法、真空蒸着法、レーザ蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の物理的蒸着法；熱塗布分解法（ＭＯＤ法）等で積層することができ、なかでも生産性の観点から、ＴＦＡ−ＭＯＤ法（トリフルオロ酢酸塩を用いた有機金属堆積法、塗布熱分解法）、ＰＬＤ法又はＣＶＤ法を用いることが好ましい。
このＭＯＤ法は、金属有機酸塩を塗布後熱分解させるもので、金属成分の有機化合物を均一に溶解した溶液を基材上に塗布した後、これを加熱して熱分解させることにより基材上に薄膜を形成する方法であり、真空プロセスを必要とせず、低コストで高速成膜が可能であるため長尺のテープ状酸化物超電導導体の製造に適している。
【００２９】
ここで前述のように、良好な配向性を有するキャップ層１６上に酸化物超電導層１７を形成すると、このキャップ層１６上に積層される酸化物超電導層１７もキャップ層１６の配向性に整合するように結晶化する。よって前記キャップ層１６上に形成された酸化物超電導層１７は、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層１７を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、金属基材１１の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、金属基材１１の長さ方向にａ軸どうしあるいはｂ軸どうしが配向している。従って得られた酸化物超電導層１６は、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、金属基材２の長さ方向に電気を流し易くなり、十分に高い臨界電流密度が得られる。
【００３０】
酸化物超電導層１７の上に積層されている安定化基層１８はＡｇなどの良電導性かつ酸化物超電導層１７と接触抵抗が低くなじみの良い金属材料からなる層として形成される。また、安定化層１９は銅などの良導電性の金属材料からなり、安定化基層１８を構成するＡｇよりも厚く形成しても安価な材料からなることが好ましい。
そして、これらの積層体（基材１１とベッド層１２と中間層１５とキャップ層１６と酸化物超電導層１７と安定化基層１８と安定化層１９の積層体）の全周を覆ってポリイミドなどの絶縁材料製のテープを巻回してなる絶縁層２０が形成され、絶縁被覆付きの酸化物超電導導体Ａが構成されている。
【００３１】
以上説明の積層構造とされた酸化物超電導導体Ａは、図２、図３に示す構造の管状のスロットＢの外周に形成されている螺旋状の溝部２６に収容されている。
このスロットＢは、ポリ４フッ化エチレン（テフロン：登録商標：ディユポン社）あるいはＥＰ（エチレンプロピレン）ゴムなどの耐熱性の樹脂材料からなる管体２５の外周面に螺旋状の溝部２６が管体２５の長さ方向に沿って複数相互に所定の間隔をあけた状態で形成されてなる。なお、これらの溝部２６は、それらの底部２６ａ側の溝幅よりも開口部２６ｂ側の溝幅の方が幅広とされた外拡がり状の溝とされ、これらの溝部２６の底部２６ａに接するように酸化物超電導導体Ａが設置されている。また、スロットＢの中心部には冷媒往路（流通路）２８を構成するための流通孔がその長さ方向全長に形成されている。
【００３２】
このスロットＢの溝部２６において底部２６ａの溝幅は酸化物超電導導体Ａの幅（絶縁層２０を含む酸化物超電導導体Ａの全体幅）の１．１倍〜１．５倍の範囲内であることが好ましい。
【００３３】
前記溝部２６において底部２６ａの溝幅を上述の範囲とすることにより、酸化物超電導導体Ａの周囲の溝部２６の内部に適度な空間を確保できるので、この部分に冷媒が存在する場合に酸化物超電導導体Ａの冷却効率を高めることができ、超電導特性の安定化に寄与する。
更に、溝部２６において底部２６ａ側よりも開口部２６ｂ側の方を幅広に形成しているので、酸化物超電導導体Ａの周囲の溝部２６の開口部側に更に適度な空間を確保することができ、この部分に冷媒が存在する場合に酸化物超電導導体Ａの冷却効率を高めることができ、超電導特性の安定化に寄与する。
また、溝部２６において底部２６ａ側の溝幅を酸化物超電導導体Ａの幅の１．１倍〜１．５倍の範囲とすることにより、溝部２６の幅を過剰に大きくしないようにしているので、スロットＢの周方向に隣接される他の酸化物超電導導体Ａとの間隔を適度な間隔に調節することができる。
【００３４】
前記スロットＢの外周に形成されている溝部２６は、この例では図３に示す如くスロットＢの外周面の周方向に等間隔で１０本螺旋状に形成されている。そして各溝部２６に酸化物超電導導体Ａがその基材１１側を溝部２６の底部２６ａ側に向けて溝底に接するように収容されている。この例ではスロットＢに対して１０本の酸化物超電導導体Ａが集合された状態とされ、スロットＢに１０本の酸化物超電導導体Ａを複合化することにより酸化物超電導集合導体Ｃが構成されている。
【００３５】
なお、この実施形態ではスロットＢに１０本の溝部２６を形成しているので１０本の酸化物超電導導体Ａを複合化しているが、スロットＢに形成する溝部２６の本数は複合化しようとする酸化物超電導導体の本数に合わせて適宜な数を選択すれば良い。
なお、スロット１０の外周に酸化物超電導導体Ａを複数本配置するので、スロット１０に対してあまりに多くの酸化物超電導導体Ａを複合すると、スロットＢの外周に沿って隣接する酸化物超電導導体Ａどうしが接近しすぎることとなる。
【００３６】
前記スロットＢの外周部の複数の溝部２６の間には螺旋型の凸条２５ａが形成され、各凸条２５ａの上面により構成されるスロットＢの周面には、図３に示すようにスロットＢの全周を囲む環状の溝２５ｂが所定の間隔でスロットＢの全長にわたり複数間欠的に形成されている。前記溝２５ｂはこの形態ではＶ字状に形成され、スロットＢの周方向に隣接する溝部２６、２６を結ぶように形成されている。
スロットＢに間欠的に複数の溝２５ｂを形成しておくことで、スロットＢの撓曲性が向上するので、スロットＢを後述の如く撚線加工する場合に有利となる。なお、溝２５ｂは凸条２５ａを介して隣接する溝部２６、２６を連通しているので、冷媒が複数の溝部２６を流れる場合のバイパス路となって冷媒の流通性を向上させる。
【００３７】
更に、本実施形態の構造においては、パイプ状のスロットＢに対してその周回りに酸化物超電導導体Ａを配置しているので、スロットＢの周方向に隣接する酸化物超電導導体Ａの酸化物超電導層１７を含む面がなす角度を１３５゜以上、１８０゜未満の範囲とすることが好ましい。ここで、酸化物超電導層１７を含む面とは、図２に示す如く酸化物超電導導体Ａを収容した酸化物超電導集合導体Ｃを横断面視した場合、酸化物超電導層１７の面方向、換言すると、酸化物超電導層１７が形成されているテープ状の基材１１の面方向、あるいは、溝部２６の底面とも表現できる。従って、スロットＢの周方向に隣接する酸化物超電導導体Ａの酸化物超電導層１７どうしは、１３５゜以上の角度、１８０゜未満の角度でもってスロットＢの周面近くに配置されている。
【００３８】
これは、各酸化物超電導層１７に通電した場合、各酸化物超電導層１７の周囲に磁場が生成するが、酸化物超電導層１７が発生させた磁場が、隣接する他の酸化物超電導層１７に与える磁気的影響を出来る限り少なくするためである。スロットＢの周方向に隣接する酸化物超電導層１７の面どうしのなす角度が９０゜を下回るようであると、隣接する酸化物超電導層１７どうしの発生させる磁場で酸化物超電導層１７自体の超電導特性に影響を及ぼすおそれがある。
即ち、Ｙ系酸化物超電導体にあっては、臨界電流密度（Ｊｃ）が酸化物超電導体の結晶のＣ軸と磁場のなす角度に依存し、結晶のＣ軸と磁界が平行の時、臨界電流密度が最も小さくなる。Ｙ系酸化物超電導体の結晶のＣ軸方向には超電導電流があまり流れないことから、線材の長手方向に対して磁場が垂直になるように設定することが重要となる。
そのため、スロットの周方向に隣接して配置される酸化物超電導導体において個々の超電導層を含む面が交差する角度を９０゜より大きく、望ましくは１３５゜以上とすることにより、隣接する酸化物超電導層どうしに通電時に発生する磁場が酸化物超電導層のＣ軸に平行になることを避けることができる。
また、スロットの周方向に隣接する酸化物超電導層どうしを含む面の交差する角度を１８０゜未満としたのは、物理的に１８０゜はあり得ないためである。
【００３９】
図４に示す酸化物超電導ケーブルＤは、前記構成の酸化物超電導集合導体Ｃの周囲に内部遮蔽層３０と絶縁層３１と外部遮蔽層３２とを順次被覆し、更にこれらを３本ＳＺ撚りして撚線導体として配置し、そのＳＺ撚線導体の外方に、内部保護パイプ３４と断熱層３５と外部保護パイプ３６と防食層３７とからなる被覆層３９を順次配置することで構成されている。
なお、前記内部保護パイプ３４と外部保護パイプ３６は屈曲性を確保するため、コルゲート形状を呈していることが好ましい。
前記内部遮蔽層３０は、前記スロットＢの外面に巻回された銅テープなどの導電テープ３０ａとこの導電テープ３０ａの外方にカーボンテープなどを巻回して構成された半導電層３０ｂとから構成され、前記外部遮蔽層３２は、絶縁層３１の外方にカーボンテープなどを巻回して構成された半導電層３２ａと半導電層３２ａの外方に巻回された銅テープなどの導電テープ３２ｂとから構成されている。前記絶縁層３１は、クラフト紙あるいは合成紙（ポリプロピレンラミネート紙：ＰＰＬＰ）などからなり、絶縁耐圧を確保するために設けられている。なお、この絶縁層３１が絶縁テープを巻回して構成されたものであるので、その外側の後述する冷媒復路３８を流れる冷媒の液体窒素が半導電層３２ａを介してこの部分に染み込んできて絶縁特性の向上に寄与する。
【００４０】
前記ＳＺ撚線導体とした３本の酸化物超電導集合導体Ｃの外方には、酸化物超電導集合導体Ｃの外周の外部遮蔽層３２と、その外側に位置する内部保護パイプ３４とによって冷媒復路（流通路）３８が区画されている。この冷媒復路３８は、液体窒素などの冷媒が流される流路であり、酸化物超電導ケーブルＤの一端側でこの冷媒復路３８と前記スロットＢ内部の冷媒往路（流通路）２８とを接続し、他端側で冷媒往路２８と冷媒復路３８を図示略の液体窒素などの冷媒供給源に接続し、この冷媒供給源から冷媒往路２８に冷媒を供給し、冷媒復路３８を介して冷媒を戻すことで、酸化物超電導ケーブルＤの全長にわたり冷媒の循環ができるようになっている。
【００４１】
なお、酸化物超電導導体Ａを冷却するための冷媒は冷媒往路２８に加え、酸化物超電導導体Ａを収容しているスロットＢの溝部２６にも流通させるものとする。スロットＢの外周面は内部遮蔽層３０が覆っているので酸化物超電導導体Ａを収容した溝部２６は冷媒の流通路とされており、この溝部２６を流れる冷媒により酸化物超電導導体Ａを効率良く冷却することができる。なお、酸化物超電導導体ＡはスロットＢの溝部底面に接するように溝部２６に収容されているので、冷媒により冷却されたスロットＢを介し熱伝導によっても冷却される。酸化物超電導導体ＡはスロットＢ側からの熱伝導による冷却効果と溝部２６を流通する冷媒の冷却効果を合わせて効率的に冷却される。
【００４２】
前記内部保護管３４と外部保護管３６は、ステンレス鋼あるいはアルミニウムなどの金属材料からなるもので、この例では、屈曲性を確保するためにコルゲート加工されており、防食層３７は防食用の樹脂被覆層からなる。前記内部保護パイプ３４は、厚さ１.５〜２ｍｍ程度のステンレス鋼などの金属材料からなり、断熱層３５は、スーパーインシューションなどを巻回して構成された厚さ１０〜２０ｍｍ程度のものである。
【００４３】
前記酸化物超電導ケーブルＤを製造するには、まず、スロットＢの溝部２６の数に合わせた複数本の酸化物超電導導体Ａを用意し、これらをスロットＢの溝部２６に沿って挿入しつつ個々に螺旋状に巻き付け、酸化物超電導集合導体Ｃを得る。なお、一般的な酸化物超電導導体Ａは数ｍｍ〜数ｃｍ程度の幅であるので、スロットＢの外径と、スロットＢに形成する溝部２６の数に応じてスロットＢに収容する酸化物超電導導体Ａの数は適宜の数を選択できる。
そして、用意した酸化物超電導集合導体Ｃに導電テープ３２ａと半導電テープ３２ｂを順次巻き付けて内部遮蔽層３０を形成し、その上に絶縁テープを巻き付けて絶縁層３１を形成し、その上に半導電テープ３２ａと銅の導電テープ３２ｂを巻き付けて外部遮蔽層３２を形成したものを複数本、例えば３本〜１０数本程度集合し、これらをＳＺ撚りする。
次に、これらＳＺ撚りした複数本の酸化物超電導集合導体Ｃの外方に、内部保護パイプ３４を被せ、スーパーインシュレーションを巻き付けて断熱層３５を形成し、最後に外部保護パイプ３６を被せて防食層３７を形成し、図４に示す断面構造の酸化物超電導ケーブルＤを得ることができる。
【００４４】
前記酸化物超電導集合導体ＣをＳＺ撚りするには、例えば、本出願人が特開平９−１０５０８５号公報あるいは特開平１１−２４７０７９号公報などにおいて開示しているＳＺ撚りが可能なＳＺ撚り線の製造装置を用いればよい。ＳＺ撚りとは、Ｓ撚り（右撚り）とＺ撚り（左撚り）とが反転位置を介して交互に繰り返し撚られている構造なので、酸化物超電導導体Ａを複数本備えたスロットＢからなる酸化物超電導集合導体Ｃを複数本、ＳＺ撚りするための上記公報等に記載のダイス装置を用い、スロットＢの長さ方向に所定の間隔でＳ撚りとＺ撚りとを繰り返し反転位置を介し撚り込むことでＳＺ撚りを実現することができる。
【００４５】
前述の如くスロットＢの溝部２６酸化物超電導導体Ａを収容しているスロットＢの状態でＳＺ撚りするならば、酸化物超電導導体をボビンに巻き付けたものを必要数用意し、これらのボビンから酸化物超電導導体を必要本数繰り出すようにして酸化物超電導導体をＳＺ撚線化して複合化する製造方法に比べ、ＳＺ撚線作業を簡略化することができ、ＳＺ撚線化する装置を小型化することができる。従って、複数のボビンを用いて個別にＳＺ撚線化して複合化する装置を用いる方法より、遙かに安価な装置でＳＺ撚線化した酸化物超電導ケーブルＤを得ることができる。
【００４６】
以上説明の如く構成した酸化物超電導ケーブルＤであるならば、スロットＢの冷媒往路２８と溝部２６に流通させる液体窒素の冷媒を用いて効率良く酸化物超電導導体Ａを冷却することができる。そして、スロットＢの外周に配置した酸化物超電導導体Ａはそれらの酸化物超電導層１７をスロットＢの周方向に隣接するものどうしのなす角度を１３５゜〜１８０゜の範囲に配置してなり、隣接する酸化物超電導導体Ａ同士の磁気的影響を少なくする配置をしているので、超電導特性の劣化を起こすことが無いので、目的の容量に合わせた複合数に見合った通電容量を確保することができるとともに、超電導特性の安定した酸化物超電導ケーブルＤを提供することができる。
【００４７】
図５は本発明に適用するスロットの他の実施形態を示すもので、この形態のスロットＥは、予めスロットＥの外周面にＳＺ撚りが可能なように、ＳＺ撚り形状に溝部３６を形成したものである。
溝部３６は図５に示す如くＳ撚り形状とされた領域３６ＡとＺ撚り形状とされた領域３６Ｂが反転部３６Ｃを介してスロットＥの長さ方向に交互に形成された形状とされている。
このような溝部３６に対し先に説明の酸化物超電導導体Ａを収容するならば、スロットＥに対してＳＺ撚りした状態の酸化物超電導集合導体とすることが可能であり、この酸化物超電導集合導体を必要本数用いて超電導ケーブルを構成することも可能である。
【実施例】
【００４８】
金属基材として、表面を研磨した１０ｍｍ幅のハステロイテープ（ハステロイＣ２７６：米国ヘインズ社商品名）を使用した。この金属基材上に、中間層を構成する第一層としてＩＢＡＤ法によってＭｇＯ膜（１０ｎｍ）を形成した。
次いで、このＭｇＯ膜上に、中間層を構成する第二層としてＩＢＡＤ法によって２００ｎｍの厚さのＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７膜を積層形成した。このときＭｇＯ膜及びＧｄ２Ｚｒ２Ｏ７膜は、２００℃以下の基材温度で、Ａｒの希ガスイオンビームによるイオンビームアシストを行いながら作製した。
【００４９】
さらに前記Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７膜上に、ＰＬＤ法によってＣｅＯ２ 膜のキャップ層を５００ｎｍ積層形成した。このキャップ層上にＹ１２３（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ ）系超電導層をＰＬＤ法によって１５００ｎｍの厚さに形成し、その上にＡｇからなる厚さ１０μｍの安定化層を形成した。その上に厚さ１００μｍのＣｕの安定化層を積層し、これら積層体の全周にポリイミド絶縁テープを巻回して絶縁層を被覆形成し、酸化物超電導導体を得た。
この酸化物超電導導体の超電導特性を評価した結果、液体窒素温度にて、臨界電流密度Ｊｃ＝２ＭＡ／ｃｍ２ 、臨界電流Ｉｃ＝３００Ａの高特性が得られていることを確認できた。
【００５０】
次に、ポリ４フッ化エチレン（テフロン：登録商標：デュポン社）製の内径２２ｍｍ、外径４０ｍｍ、長さ５０ｍのパイプ状であって、その外周面の周方向に等間隔で８本の溝部を螺旋状に形成してなるスロットを用意した。
上記構造の長さ５０ｍのスロットに対し前記構造の長さ６０ｍの酸化物超電導導体を用意し、スロットの各溝部に上述の酸化物超電導導体を挿入して収容した後、同等構造のスロットを３本用意し、これらをまとめてピッチ４００ｍｍのＳＺ撚り加工してＳＺ撚りした撚り線状の酸化物超電導ケーブル素線を得た。
【００５１】
次いでこの酸化物超電導ケーブル素線の外方に厚さ０.１ｍｍの銀テープを巻回し、更にカーボンを含有した半導電テープを巻回して内部遮蔽層を形成し、その上にクラフト紙を巻回して絶縁層を形成した。この時の絶縁層の厚さは６〜７ｍｍとして高電圧の電気絶縁にも耐え得る構造とした。そして、前記絶縁層の上に、半導電テープと厚さ０.１ｍｍの銅テープを巻回し、交流用ケーブルとした。
次に銅テープの上に、直径５ｍｍのポリ４フッ化エチレン（テフロン：登録商標：デュポン社）製ワイヤーを数本巻回し、更に、外径８２ｍｍ、内径７５ｍｍのステンレス鋼からなる内部保護パイプに挿入し、コルゲート加工して外径８２ｍｍ、内径６５ｍｍとした。この内部保護パイプの内側が冷媒復路となる。更にこの内部保護パイプの上にスーパーインシュレーションを巻き付け、その外部にステンレス鋼製の外部保護パイプを被せ、コルゲート加工し、その外側にビニル防食を施して外径１２０ｍｍの酸化物超電導電力ケーブルを得た。
【００５２】
この酸化物超電導電力ケーブルについて、スロット内部の冷媒流通路と内部保護パイプの内側の冷媒流通路を用いて液体窒素の循環を行い、全体を７７Ｋに冷却し、外部磁場０Ｔにおいて通電試験を行った。
【００５３】
次に、上述のスロットに対し、その外周面に形成する溝部の数と間隔を調整してスロットの周面に沿って隣接する溝部の位置を変えてスロットの周面に沿って配置される酸化物超電導層どうしのなす角度の影響について試験した。なお、スロットの周方向に沿って隣接する溝部の底面どうしのなす角度は、各溝部にテープ状の酸化物超電導導体を配置した場合、スロットの周方向に沿って隣接する酸化物超電導層どうしのなす角度に相当すると近似している。表１において隣接酸化物超電導層どうしがなす角度１３５゜は、上述した８本の酸化物超電導導体をスロットに複合化した場合の例に相当する。
なお、テープ状の酸化物超電導導体の幅は複合化本数に併せて２ｍｍ、８ｍｍに変更した。
「表１」
隣接酸化物超電導層 複合化本数 １２０゜相対 テープ幅
どうしのなす角度 交流損失
１５７．５゜ １６本 ０．００１２５ ２ｍｍ
１３５゜ ８本 ０．０７５ ８ｍｍ
１２０゜ ６本 １ １０ｍｍ
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、従来から銅線などの金属製導体で製造されていたコイルや電線などのうち、超電導線材に置き換えが期待されている超電導モータ、限流器、超電導電線などへの適用が可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
Ａ…酸化物超電導導体、Ｂ、Ｅ…スロット、Ｃ…酸化物超電導集合導体、Ｄ…超電導ケーブル、１１…基材、１２…ベッド層、１５…中間層、１６…キャップ層、１７…超電導層、１８…安定化基層、１９…安定化層、２０…絶縁層、２５…管体、２５ａ…凸条、２５ｂ…溝、２６…溝部、２６ａ…底部、２６ｂ…開口部、２８…冷媒往路（流通路）、３０…内部遮蔽層、３１…絶縁層、３４…内部保護管、３５…断熱層、３６…外部保護管、３７…防食層、３８…冷媒復路（流通路）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体が、その基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容されるとともに、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなることを特徴とする酸化物超電導ケーブル。
【請求項２】
前記溝部の開口部側の溝幅が、前記酸化物超電導導体の幅の１．１〜１．５倍の範囲内に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項３】
前記溝部がその底部側よりもその開口部側の方を幅広とした横断面形状とされてなることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項４】
前記スロットの周方向に複数配列される酸化物超電導導体において、隣接する酸化物超電導導体の酸化物超電導層を含む平面どうしが交差する交差角度が１３５゜以上、１８０℃未満とされてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項５】
前記スロットが、４フッ化ポリエチレン、エチレンプロピレンゴムのいずれかからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項６】
前記スロットが複数本ＳＺ撚りされてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項７】
前記スロットが複数本ＳＺ撚りされ、それらの外部に、内部遮蔽層と、外部遮蔽層と、被覆層が設けられ、前記内部遮蔽層と前記外部遮蔽層との間に冷媒の流通路が形成され、前記スロットの内部に冷媒の流通路が形成されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項８】
テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体がその基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容され、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなる酸化物超電導ケーブルの製造方法であって、
前記スロットとして、その周方向に前記複数の溝部を所定の間隔で複数形成してなるスロットを用い、このスロットの複数の溝部に前記酸化物超電導導体を収容した後、前記複数本の酸化物超電導導体を備えたスロットを複数本まとめてＳＺ撚りすることを特徴とする酸化物超電導ケーブルの製造方法。
【請求項９】
前記スロットを、４フッ化ポリエチレン、エチレンプロピレンゴムのいずれかから形成することを特徴とする請求項８に記載の酸化物超電導ケーブルの製造方法。
【請求項１】
テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体が、その基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容されるとともに、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなることを特徴とする酸化物超電導ケーブル。
【請求項２】
前記溝部の開口部側の溝幅が、前記酸化物超電導導体の幅の１．１〜１．５倍の範囲内に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項３】
前記溝部がその底部側よりもその開口部側の方を幅広とした横断面形状とされてなることを特徴とする請求項１または２に記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項４】
前記スロットの周方向に複数配列される酸化物超電導導体において、隣接する酸化物超電導導体の酸化物超電導層を含む平面どうしが交差する交差角度が１３５゜以上、１８０℃未満とされてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項５】
前記スロットが、４フッ化ポリエチレン、エチレンプロピレンゴムのいずれかからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項６】
前記スロットが複数本ＳＺ撚りされてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項７】
前記スロットが複数本ＳＺ撚りされ、それらの外部に、内部遮蔽層と、外部遮蔽層と、被覆層が設けられ、前記内部遮蔽層と前記外部遮蔽層との間に冷媒の流通路が形成され、前記スロットの内部に冷媒の流通路が形成されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の酸化物超電導ケーブル。
【請求項８】
テープ状の基材上に中間層を介し酸化物超電導層が形成され、この酸化物超電導層上に安定化層が形成されてなる酸化物超電導導体と、管体からなりその外周面に溝部が複数、その長さ方向に沿って形成されてなるスロットとが備えられ、前記酸化物超電導導体がその基材側を前記溝部の底部側に向けた状態で前記溝部に収容され、前記スロットの周方向に複数本、前記スロットの長さ方向に配置されてなる酸化物超電導ケーブルの製造方法であって、
前記スロットとして、その周方向に前記複数の溝部を所定の間隔で複数形成してなるスロットを用い、このスロットの複数の溝部に前記酸化物超電導導体を収容した後、前記複数本の酸化物超電導導体を備えたスロットを複数本まとめてＳＺ撚りすることを特徴とする酸化物超電導ケーブルの製造方法。
【請求項９】
前記スロットを、４フッ化ポリエチレン、エチレンプロピレンゴムのいずれかから形成することを特徴とする請求項８に記載の酸化物超電導ケーブルの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−７６７５０（Ｐ２０１１−７６７５０Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２４３０６（Ｐ２００９−２２４３０６）
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２９日（２００９．９．２９）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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