高温超電導ケーブル
【課題】本発明は、を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の高温超電導ケーブルは、テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えて酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体をその厚さ方向に複数積層して酸化物超電導集合体が構成され、該酸化物超電導集合体が絶縁物で構成された支持体の一面に沿って直線状に配置されるように取り付けられて酸化物超電導導体が構成され、該酸化物超電導導体が金属パイプの内部に冷媒の流通路をあけた状態で収容され、該金属パイプの外方に断熱層を介し絶縁被覆層が形成されてなることを特徴とする。
【解決手段】本発明の高温超電導ケーブルは、テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えて酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体をその厚さ方向に複数積層して酸化物超電導集合体が構成され、該酸化物超電導集合体が絶縁物で構成された支持体の一面に沿って直線状に配置されるように取り付けられて酸化物超電導導体が構成され、該酸化物超電導導体が金属パイプの内部に冷媒の流通路をあけた状態で収容され、該金属パイプの外方に断熱層を介し絶縁被覆層が形成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、基材上に中間層と酸化物超電導層と安定化層を備えた積層構造の酸化物超電導積層体を備えた高温超電導ケーブルに関する。
【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し、電流損失が低いため、実用上極めて有望な高温超電導体として研究されており、これを線材に加工して電力供給用の高温超電導線ケーブルとして使用することが要望されている。酸化物超電導体を線材に加工するための方法として、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、このテープ状の金属基材上に酸化物超電導層を形成する方法が研究されている。
【０００３】
上述の高温超電導線材を用いた高温超電導ケーブルは、高価な液体ヘリウムを必要とする低温超電導体と比べ、安価な液体窒素で運用することができ、送電時のエネルギー損失を低減できる有望な技術として研究開発が進められている。
この種の高温超電導ケーブルの一例として、図８に示す如く、三心一括型高温超電導ケーブルであって、撚線からなるフォーマ１００の外周に高温超電導線を巻線状に複数層配置して超電導層１０１を形成し、その外周に絶縁層１０２、１０３と超電導シールド層１０５と保護層１０６を形成してコアケーブル１０７を構成し、このコアケーブル１０７を３本そろえて断熱管１０８の内部に冷媒流通用の間隙１０４をあけて収容し、全体を保護層１０９で覆ってなる構造の高温超電導ケーブル１１０が知られている。
また、構造を単純化した三相同軸型の超電導ケーブルとして、内部に液体窒素流路１１１を形成した銅管からなるフォーマ１１２の外周に超電導テープ線１１３、１１４、１１５を絶縁層１１６、１１７を介し積層して多層構造とし、その外側に冷媒の流路を介して断熱層１１８とシールド層１１９で覆ってなる構造の高温超電導ケーブル１２０が知られている。
【０００４】
図８、図９に示す構造の高温超電導ケーブル１１０、１２０の特徴としては、超電導特性を示す低温域まで超電導線材を冷却するため、超電導ケーブルの構造内に液体窒素流路を確保し、液体窒素を超電導ケーブル内に循環させることで、高温超電導ケーブル１１０、１２０を冷却可能な構造としている。
【０００５】
その他、この種の高温酸化物超電導ケーブルにおいて、図１０に示す如くテープ状の超電導導体１２１をらせん溝１２２が形成された絶縁体のスペーサ１２３に収容し、このスペーサ１２３を保護層１２５で覆ってなる構造の超電導ケーブル１２６が提案されている。この構造の高温酸化物超電導ケーブル１２６においてらせん溝１２２の内部には超電導導体１２１を収容した状態において間隙があけられており、この間隙が冷媒流通路１２７とされている。（特許文献１参照）
また、高温超電導ケーブルにおいて、図１１に示す如く複数の酸化物超電導層を積層した導体コア１３０を用い、これらを樹脂製の断面円形のセクター１３１の外周部に形成した溝部１３２に収容し、セクター１３１の外周をアルミニウム製のテープ１３３で覆い、断熱層１３４と銅管１３５と外被１３６で覆ってなる構造の超電導ケーブル１３７が提案されている。（特許文献２参照）
【０００６】
高温超電導ケーブルにおいて、図１２に示す如く絶縁体からなるセクタ１４０の中心の空間部１４１に支持体１４２に支持されて超電導体ユニット１４３を収容し、セクタ１４０の外周部に設けた溝１４５に光ファイバ群１４６を備えた銅パイプ１４７を収容するとともに、セクタ１４０の外方に絶縁層１４８を介しコルゲートメタルシース１４９を被覆してなる構成の高温超電導ケーブル１５０が提案されている。（特許文献３参照）
高温超電導ケーブルにおいて、図１３に示す如く超電導体テープ１５１を絶縁層１５２で覆ってなる酸化物超電導体１５３を複数の支持体１５４で支持した状態で空間部１５５を有する絶縁体１５６に収容してなる構成の高温超電導ケーブル１５７が提案されている。（特許文献４参照）
【０００７】
高温超電導ケーブルにおいて、図１４に示す如く断面コ字型の長尺のケース１６０の内部側に銀シース１６１でテープ状の酸化物超電導層１６２を覆ってなる酸化物超電導線材を複数積層し、ケース１６０の開口部側を封止材１６３で覆ってなる超電導導体１６５を複数配列させて一体化し、集合体の両端側に絶縁層１６６を配置した構成の高温超電導ケーブル１１６７が知られている。（特許文献５参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−２８４７２１号公報
【特許文献２】特開昭６３−３０７６１５号公報
【特許文献３】特開昭６４−３９０６号公報
【特許文献４】特開昭６４−３９１１号公報
【特許文献５】特開平５−６２５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図８と図９に示す構造の酸化物超電導ケーブル１１０、１２０は交流使用を想定した構造であるため、超電導ケーブルの外径が１５０ｍｍ程度となってしまう問題がある。また、図１０に示す超電導ケーブル１２６の構造はコンパクトにはなるが、機械特性の弱いＢｉ系の酸化物超電導線材を想定している構造のため、らせん溝１２２を備えたスペーサ１２３に超電導導体１２１をらせん状に収納しなければならず、超電導線材幅方向の歪（エッジワイズ）に対しても十分に注意しなければならず、高度な製造技術を要すると考えられる。
図１０に示す超電導ケーブル１２６の構造では、製造コストを考慮しても、製造時の線速を上げることは困難と考えられ、製造コストの低減には不利な構造となる。
図１１に示す超電導ケーブル１３７の構造では、機械的に強度は高いものの、複数の方向からセクター１３１の溝部１３２に導体コア１３２を収納しなければならず、収納させる工程が必要であり、高度な製造技術が必要であると考えられる。
【００１０】
図１２に示す超電導ケーブル１５０の構造では、収納方向は一方向ではあるものの、複合構造の超電導ケーブルということもあり、多くの部材を収納させる工程が必要になってくるとともに、高度な製造技術が必要であると考えられる。
図１３に示す超電導ケーブル１５７の構造では、超電導テープ１５３が空隙を介し絶縁体１５６の内部に配置されているので、超電導テープ１５３の配置密度が低い構造となり、臨界電流密度が低下するという問題がある。
図１４に示す構造では、集合導体に関する構造であり、機械的強度には優れているものの、密閉構造となるため、接続時の作業性などは損なわれる問題がある。
【００１１】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、直流用としてコンパクトな構造であり、製造しやすいとともに、機械的強度に優れた基材上に中間層、酸化物超電導層を積層してなる酸化物超電導積層体を備え、冷媒の流通路も確保できる構造とした高温超電導ケーブルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために、テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えて酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体をその厚さ方向に複数積層して酸化物超電導集合体が構成され、該酸化物超電導集合体が支持体の一面に沿って直線状に配置されるように取り付けられて酸化物超電導導体が構成され、該酸化物超電導導体が金属パイプの内部に冷媒の流通路をあけた状態で収容され、該金属パイプの外方に絶縁被覆層が形成されてなることを特徴とする。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために、前記支持体がその長さ方向全長に前記酸化物超電導集合体を収容する凹溝を備えてなることを特徴とする。
本発明は、上記課題を解決するために、前記凹溝に収容された前記酸化物超電導集合体が前記凹溝内において側圧０．９ＭＰａ以下の圧力で挟持されてなることを特徴とする。
本発明は、上記課題を解決するために、前記支持体の線膨張係数が１×１０−６〜５×１０−６であることを特徴とする。
本発明は、上記課題を解決するために、前記超電導積層体が前記支持体に接着されてなることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するために、前記支持体が前記酸化物超電導導体の幅方向両側に配置される第１の分割支持体と第２の分割支持体とからなる分割構造とされ、前記第１の分割支持体と第２の分割支持体のそれぞれに前記酸化物超電導導体の幅方向両側部分を収容する凹溝が形成されるとともに、前記酸化物超電導導体がその幅方向両側部分を前記凹溝に収容し前記第１の分割支持体と第２の分割支持体に挟まれた状態で前記金属パイプに収容されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、酸化物超電導積層体を支持体に沿って直線状に配置して取り付け、金属パイプの内部に冷媒の流通路をあけて収容したので、金属パイプ内の流通路に冷媒を流して酸化物超電導積層体を冷却しつつ酸化物超電導積層体の酸化物超電導層を超電導状態として通電することができる。この構造の高温超電導ケーブルにおいて支持体に沿って直線状に設けた酸化物超電導積層体であるならば、金属パイプの内部に酸化物超電導積層体を収容する場合の収容作業が容易であって、酸化物超電導積層体に作用する歪を軽減した状態で金属パイプの内部に収容できるので、超電導特性の劣化を生じない構造を提供することができる。また、酸化物超電導積層体を金属パイプの内部に直線状に収容した構造を採用することで、ケーブル全体の外径を小さくできる効果がある。
【００１６】
酸化物超電導積層体を収容する支持体に凹溝を設け、この凹溝に沿って酸化物超電導積層体を収容することで、直線状に配置した酸化物超電導積層体を取り囲むように支持体で保護できるとともに、流通路を流れる冷媒を凹溝に沿って流すことができるので、凹溝に沿って流れる冷媒により凹溝内部の酸化物超電導積層体を効率良く冷却できる。
また、酸化物超電導積層体を凹溝に収容する際、支持体が酸化物超電導積層体に作用させる側圧を０．９ＭＰａ以下とすることにより、酸化物超電導積層体に余計な歪を作用させることがなく、超電導特性の劣化が生じ難いとともに、酸化物超電導積層体を凹溝の内部に確実に安定保持することができる。
【００１７】
また、前記支持体の線膨張係数が１×１０−６〜５×１０−６であるならば、酸化物超電導積層体を構成する基材、中間層、酸化物超電導層および安定化層の線膨張係数と大きな差異が無く、熱履歴によって歪が作用し難いので、酸化物超電導積層体の酸化物超電導層に熱歪を与える可能性が低くなり、超電導特性の安定した高温超電導ケーブルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る高温超電導ケーブルの第１実施形態を示す概略断面図。
【図２】図１に示す高温超電導ケーブルに組み込まれている酸化物超電導積層体の概略断面図。
【図３】図２に示す酸化物超電導積層体の層構造を詳細に示す構成図。
【図４】図１に示す高温超電導ケーブルに適用される構造の第２の形態を示す断面図。
【図５】図１に示す高温超電導ケーブルに適用される構造の第３の形態を示す断面図。
【図６】図１に示す高温超電導ケーブルに適用される構造の第４の形態を示す断面図。
【図７】図１に示す高温超電導ケーブルを製造する装置の一例を示す構成図。
【図８】従来の超電導ケーブルの第１の例を示す部分断面略図。
【図９】従来の超電導ケーブルの第２の例を示す部分断面略図。
【図１０】従来の超電導ケーブルの第３の例を示す部分断面略図。
【図１１】従来の超電導ケーブルの第４の例を示す部分断面略図。
【図１２】従来の超電導ケーブルの第５の例を示す部分断面図。
【図１３】従来の超電導ケーブルの第６の例を示す部分断面図。
【図１４】従来の超電導ケーブルの第７の例を示す部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る酸化物超電導線材の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態の高温超電導ケーブル１を模式的に示す概略断面図であり、図２は該高温超電導ケーブル１に組み込まれている酸化物超電導積層体２の概略断面図、図３は該酸化物超電導積層体２の積層構造の具体例を示す構成略図である。
本実施形態において酸化物超電導積層体２は、テープ状の金属製の基材３の上に、第１の中間層４と第２の中間層５と酸化物超電導層６と第１の安定化層７と第２の安定化層８を積層し、それらの全周を囲むように保護層９を被覆してなり、この酸化物超電導積層体２を複数積層して酸化物超電導集合体２７が構成され、この酸化物超電導集合体２７がテープ状の支持体１１の上面に取り付けられて酸化物超電導導体２８が構成され、この酸化物超電導導体２８を中心部に備えて高温超電導ケーブル１が構成されている。
【００２０】
高温超電導ケーブル１は、上述の構成の酸化物超電導導体２８を収容した銅パイプなどの金属パイプ１２と、該金属パイプ１２を真空断熱層１３を介して覆う金属コルゲート管１５と、その外方に被覆されたポリエチレン層などからなる絶縁材料製の保護シース（絶縁被覆層）１６とから構成されている。
【００２１】
前記酸化物超電導積層体２は、より詳細には図３に示す如く、基材３の上面に拡散防止層２１とベッド層２２と配向層２５からなる第１の中間層４とキャップ層からなる第２の中間層５が積層され、その上に酸化物超電導層６と第１の安定化層７と第２の安定化層８を積層して構成されているが、図２では図示の簡略化のために第１の中間層４を１層のように略して描いている。なお、本発明において拡散防止層２１とベッド層２２は必須ではなく、場合によっては略しても良い。
【００２２】
前記基材３は、通常の超電導線材の基材として使用することができ、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、ステンレス鋼、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３の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。
【００２３】
拡散防止層２１は、基材３の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）、あるいは、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。拡散防止層１１の厚さが１０ｎｍ未満となると、基材３の構成元素の拡散を十分に防止できなくなる虞がある。一方、拡散防止層２１の厚さが４００ｎｍを超えると、拡散防止層２１の内部応力が増大し、これにより、他の層を含めて全体が基材３から剥離しやすくなる虞がある。また、拡散防止層２１の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
【００２４】
ベッド層２２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２２は、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）などの希土類酸化物であり、組成式（α１Ｏ２）２ｘ（β２Ｏ３）（１−ｘ）で示されるものが例示できる。より具体的には、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を例示することができる。このベッド層２２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１０〜１００ｎｍである。また、ベッド層２２の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
【００２５】
配向層２５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キャップ層としての第２の中間層５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。配向層２５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。
この配向層２５をＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）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、その上に形成する第２の中間層５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、これにより第２の中間層５の上に成膜する酸化物超電導層６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酸化物超電導層６を得るようにすることができる。
例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる配向層２５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】
前記ＩＢＡＤ法による配向層２５であれば、目的とする層の構成粒子をスパッタ法により堆積させつつ、所定の入射角度でイオン照射を行うことにより、形成されるスパッタ膜の特定の結晶軸がイオンの入射方向に固定され、結晶のｃ軸が金属基板の表面に対して垂直方向に配向するとともに、結晶のａ軸及びｂ軸が面内において一定方向に配向する。このため、ＩＢＡＤ法によってベッド層２２上に形成された配向層２５は、高い面内配向度、例えばΔφ＝１２〜１６゜程度を得ることができる。
【００２７】
次に、キャップ層としての第２の中間層５は、上述のように面内結晶軸が配向した配向層２５表面に成膜されることによってエピタキシャル成長し、その後、横方向に粒成長して、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料、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。例えばＣｅＯ２によって構成される第２の中間層５は、上述のように自己配向していることにより、配向層２５よりも更に高い面内配向度、例えばΔφ＝４〜６゜程度を得ることができる。
【００２８】
例えば、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以上が好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５０〜５０００ｎｍの範囲、より好ましくは１００〜５０００ｎｍの範囲とすることができる。
【００２９】
酸化物超電導層６は高温超電導体として公知のもので良く、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６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６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；塗布熱分解法（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、ＰＬＤ（パルスレーザー蒸着）法、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）又はＣＶＤ法を用いることができる。
【００３０】
ここで前述のように、良好な配向性を有する第２の中間層５上に酸化物超電導層６を形成すると、この第２の中間層上に積層される酸化物超電導層６も第２の中間層５の配向性に整合するように結晶化する。よって前記第２の中間層５上に形成された酸化物超電導層６は、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層６を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、基材１０の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、基材１０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６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、基材１０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。
【００３１】
前記酸化物超電導層６の上に積層されている第１の安定化層７はＡｇなどの良電導性かつ酸化物超電導層６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。なお、第１の安定化層７をＡｇから構成する理由として、酸化物超電導層６に酸素をドープするアニール工程においてドープした酸素を酸化物超電導層６から逃避し難くする性質を有する点を挙げることができる。Ａｇの第１の安定化層７を成膜するには、スパッタ法などの成膜法を採用し、その厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
第２の安定化層８は、良導電性の金属材料からなることが好ましく、酸化物超電導層６が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、第１の安定化層７とともに、超電導層６の電流が転流するバイパスとして機能する。
【００３２】
第２の安定化層８を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の銅合金、ステンレス等の比較的安価なものを用いるのが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅がより好ましい。銅を用いることにより、材料コストを低く抑えながら第２の安定化層８を厚膜化することが可能となり、事故電流に耐える超電導導体を安価に得ることができる。第２の安定化層８の厚さは１０〜３００μｍとすることが好ましい。安定化層８は、公知の方法で形成することができ、めっき法やスパッタ法、銅などの金属テープを第１の安定化層７上に半田付けする方法により形成することができる。
【００３３】
前記テープ状の基材３の上に拡散防止層２１とベッド層２２と配向層２５からなる第１の中間層４を形成し、その上に第２の中間層５と酸化物超電導層６と安定化層７、８を形成した積層体の全周を取り囲むようにポリイミドテープなどを重ね巻きして絶縁材料製の保護層９を形成して図２に示す構造の酸化物超電導積層体２が構成されている。この酸化物超電導積層体２の厚さは約０．２〜０．２５ｍｍである。前記保護層９としてポリイミドテープの積層構造を採用できるが、ポリイミドテープの積層間に厚さ約０．１ｍｍの半硬化エポキシ含浸ガラステープ（線膨張係数１０〜５０×１０−６／℃）を配置することにより一体化することができる。
また、この酸化物超電導積層体２を複数、図１の形態では７層、厚さ方向に積層して酸化物超電導集合体２７が構成されるともに、これらが絶縁材、金属からなるテープ状の支持体１１の表面側に接着などの固定手段により取り付けられて積層構造の酸化物超電導導体２８が構成されている。前記１つの酸化物超電導積層体２は厚さ約０．２ｍｍ〜０．２５ｍｍ、幅約１０ｍｍ程度のテープ状とされている。
【００３４】
前記酸化物超電導導体２８は金属パイプ１２の内部に収容されているが、金属パイプ１２の内径は酸化物超電導導体２８の幅よりも大きくされているので、酸化物超電導導体２８の周囲側において金属パイプ１２の内面との間には間隙が形成され、これらの間隙が液体窒素などの冷媒の流通路３０とされている。また、金属コルゲート管１５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、保護シース１６は防食用のポリエチレン層などの樹脂被覆層からなる。
【００３５】
以上説明した構成の高温超電導ケーブル１にあっては、図８ 、図９に示す従来構造の超電導ケーブルの外径が１５０ｍｍ程度と大きくなっていたのに対し、テープ状の基材３を含めた酸化物超電導積層体２の厚さが約０．２ｍｍ〜０．２５ｍｍであって薄く、７層程度積層して酸化物超電導集合体２７として、それを金属パイプ１２や金属コルゲート管１５、保護シース１６で覆ったとしても、外径１００ｍｍ以下で実現できる。
この比較を詳細に行うと、臨界電流１００Ａ／ｃｍ（７７Ｋ）の超電導線材を用いて、通電電流１０００Ａ、超電導線材の臨界電流２０００Ａの超電導ケーブルを得ようとすると、図８の構造では、幅２ｍｍの超電導線材を適用し、超電導線材の臨界電流２０Ａ／２ｍｍ（７７Ｋ）となるので、１００本の超電導線材が必要となり、超電導ケーブル全体の外径は１４０ｍｍ程度、中芯のケーブル外径（３心のうち、１心の外径）でも７０〜８０ｍｍ程度となってしまう。
【００３６】
これに対し図１の構造では、直流用と限定するならば、超電導積層体に幅１０ｍｍの構造を適用することができるので、超電導導積層体は２０本の積層となり、その厚さは４ｍｍ程度となり、それを収容する金属パイプ１２の内径を１５ｍｍ程度とすることができるので、超電導ケーブル１としての外径を５０ｍｍ以下とすることが可能となる。
本実施形態の高温超電導ケーブル１にあっては、ハステロイなどの強度の高いテープ状の基材３の上に酸化物超電導層６が形成されていて、酸化物超電導積層体２が構成されているので、Ｂｉ系などの酸化物超電導導体において従来適用されていた酸化物超電導層をＡｇの被覆層で覆う構造の超電導導体に対比すると、機械的強度が優れるという効果を奏する。
【００３７】
また、本実施形態の高温超電導ケーブル１によれば、酸化物超電導積層体２を積層した酸化物超電導導体２８を支持体１１に沿って直線状に配置して取り付け、金属パイプの内部に冷媒の流通路３０をあけて収容したので、金属パイプ１２内の流通路３０に冷媒を流して酸化物超電導積層体２を冷却しつつ酸化物超電導積層体２の酸化物超電導層６を超電導状態として通電することができる。この構造の高温超電導ケーブル１において支持体１１に沿って直線状に設けた酸化物超電導積層体２であるならば、金属パイプ１２の内部に長尺の酸化物超電導導体２８を収容する場合の収容作業が容易であって、酸化物超電導積層体２に作用する歪を軽減した状態で金属パイプ１２の内部に収容できるので、超電導特性の劣化を生じない構造を提供することができる。また、酸化物超電導積層体２を金属パイプの内部に直線状に収容した構造を採用することで、ケーブル全体の外径を小さくできる効果がある。
【００３８】
本実施形態の構造において、酸化物超電導導体２８を金属パイプ１２で覆ってなる構造に対し、この構造を図４に示す構造で置き換えることができる。
図４に示す第２実施形態の構造では、酸化物超電導積層体２を積層した酸化物超電導集合体２７を取り付ける長尺の支持体が横断面コ字型の支持体３１であり、この支持体３１の底壁３１Ａと側壁３１Ｂ、３１Ｂとに囲まれた状態となるように酸化物超電導積層体２を積層してなる酸化物超電導集合体２７が支持体３１の凹部３１ａに収容され、酸化物超電導導体２８が構成される。
この形態の支持体３１はその横断面の各コーナー部分が金属パイプ１２の内面に当接する程度の大きさとされているので、酸化物超電導集合体２７を収容した支持体３１を金属パイプ１２の内部に挿入した状態においては、図４に示す如く酸化物超電導集合体２７の上面と金属パイプ１２の内面との間には最大幅ｄの空隙部が形成され、この空隙部が冷媒の流通路３２Ａとされている。また、支持体３１の両側面と金属パイプ１２の内面との間には流通路３２Ｂが形成され、支持体３１の底面と金属パイプ１２の内面との間には流通路３２Ｃが形成されている。
【００３９】
図４に示す構造において、支持体３１により酸化物超電導集合体２７を金属パイプ１２の内部に安定した状態で支持することができ、酸化物超電導集合体２７の周囲側に冷媒の流通路３２Ａ〜３２Ｃを形成しているので、流通路３２Ａ〜３２Ｃに液体窒素などの冷媒を流通させて酸化物超電導集合体２７を冷却し、各酸化物超電導積層６を超電導状態として通電することで、高温超電導ケーブル１を電力輸送用ケーブルとして利用することができる。
また、図１〜図３に示す構造において、支持体１１、銅パイプ１２、金属コルゲート管１５に相当する部分を酸化物超電導積層体２と同程度の線膨張係数の材料を適用することによって、冷媒の流通路に液体窒素を流した場合、高温超電導ケーブル１の収縮長さを均一にできるので、高温超電導ケーブル１や酸化物超電導集合体２７、酸化物超電導層６に余計な応力を負荷することのないケーブル構造を提供できる。
【００４０】
図４の構造において、酸化物超電導集合体２７を収容する支持体３１に凹溝３１ａを設け、この凹溝３１ａに沿って酸化物超電導集合体２７を収容することで、直線状に配置した酸化物超電導集合体２７を取り囲むように支持体３１で保護できるとともに、流通路３２Ａを流れる冷媒を凹溝３１ａに沿って流すことができるので、凹溝３１ａに沿って流れる冷媒により凹溝３１ａ内の酸化物超電導集合体２７を効率良く冷却できる。
また、酸化物超電導集合体２７を凹溝３１ａに収容する際、支持体３１が酸化物超電導集合体２７に作用させる側圧を０．９ＭＰａ以下とすることにより、酸化物超電導積層体２に余計な歪を作用させることがなく、超電導特性の劣化が生じ難いとともに、酸化物超電導集合体２７を凹溝３１ａの内部に確実に安定保持することができる。
【００４１】
本実施形態の構造において、酸化物超電導導体２８を金属パイプ１２で覆ってなる構造に対し、この構造を図５に示す構造で置き換えることができる。
図５に示す第３実施形態の構造では、酸化物超電導積層体２を設置する長尺の支持体が横断面Ｃ字型の支持体３３であり、この支持体３３の底壁３３Ａと側壁３３Ｂ、３３Ｂとに囲まれた状態となるように酸化物超電導積層体２を積層してなる酸化物超電導集合体２７が支持体３３の凹部３３ａに収容されている。この形態の支持体３３の外周面の３／４程度は金属パイプ１２の内周面に隙間無く挿入されるように円弧形状とされており、支持体３３の内面側には酸化物超電導集合体２７の底面と側面を隙間無く挿入するために角溝型の凹部３３ａとされていて、図５に示す如く酸化物超電導集合体２７の上面と金属パイプ１２の内面との間には最大幅ｄの空隙部が形成され、この空隙部が冷媒の流通路３４とされている。
【００４２】
本実施形態の構造において、酸化物超電導導体２８を金属パイプ１２で覆ってなる構造に対し、この構造を図６に示す構造で置き換えることができる。
図６に示す第４実施形態の構造では、酸化物超電導集合体２７を設置する長尺の支持体が横断面Ｉ字型の２つの長尺の分割支持体３５、３５からなり、これらの分割支持体３５、３５に挟まれた状態の酸化物超電導集合体２７が金属パイプ１２の内部に収容されている。
【００４３】
これらの分割支持体３５、３５は、それらの間に酸化物超電導集合体２７を挟んで金属パイプ１２の内部に収容された状態において、それらの幅方向両側端部３５ａを金属パイプ１２の内面に当接させる程度の大きさに形成され、分割支持体３５、３５の相対向する内面側に酸化物超電導集合体２７の両側部を収容する凹溝３５ｂを形成するための突条３５ｃ、３５ｃが形成されている。分割支持体３５、３５は、それらの間に酸化物超電導集合体２７を挟んで金属パイプ１２の内部に収容された状態において、酸化物超電導集合体２７の積層方向上下端部と金属パイプ１２の内面との間に空隙部をあけるような形状とされ、これらの空隙部が冷媒の流通路３６とされている。なお、分割支持体３５の外側面３５ｄと金属パイプ１２の内面との間にも空隙部が形成され、この空隙部が冷媒の流通路３７とされている。
【００４４】
図４〜図６に示すいずれの構造においても、支持体により酸化物超電導集合体２７を金属パイプ１２の内部に固定した状態で安定支持することができ、酸化物超電導集合体２７の周囲側に冷媒の流通路を形成しているので、流通路に液体窒素などの冷媒を流通させて酸化物超電導集合体２７を冷却し、各酸化物超電導積層６を超電導状態として通電することで、電力輸送ケーブルとして利用することができる。
また、支持体３１、３３の凹溝３１ａ、３３ａあるいは分割支持体３５の凹溝３５ｂに酸化物超電導集合体２７を挟持する場合に作用する側圧は、０．９ＭＰａ以下とすることが好ましい。これは、酸化物超電導集合体２７を構成する酸化物超電導積層体２に余計な歪を作用させることがなく、超電導特性の劣化が生じ難いとともに、酸化物超電導集合体２７を各凹溝の内部に確実に安定保持するためである。なお、支持体から酸化物超電導集合体に作用させる側圧の望ましい範囲については後述の試験結果により詳述する。
また、図６に示す構造の支持体３５は、銅などの金属でも良いが、絶縁を重視する際は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは窒化ほう素（ＢＮ）などのセラミックスからなることが好ましい。窒化ほう素の線膨張係数は１×１０−６程度、窒化アルミニウムの線膨張係数は４〜５×１０−６程度である。このことから、支持体３５をＡｌＮあるいはＢＮなどのセラミックスで構成する場合の線膨張係数は、１×１０−６〜５×１０−６の範囲が好ましい。これらを選択することが好ましい理由は、これらの材料が絶縁性に富み、熱伝達が良好なためである。
【００４５】
図７は、図１に示す断面構造の高温超電導ケーブル１を製造する場合に用いて好適な製造装置の一例を示すもので、この例の製造装置４０は、第１の送出装置４１と第２の送出装置４２を備え、第１の送出装置４１に前記構造の酸化物超電導導体２８が巻き付けられて送り出し自在とされ、第２の送出装置４２に銅テープ４３が巻き付けられて送り出し自在とされている。
第２の搬送装置４２の後段側（図７の右側）には、テープガイド装置４５と銅テープ耳取装置４６とスリッター４７とが設置され、スリッター４７の後段側にフォーミング装置４８とＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接装置４９とスクイズロール５０と冷却装置５１とコルゲート装置５２が設置され、この後段側に探傷機５３と引取キャタピラ５４と巻取装置５５が設置されている。
【００４６】
図７に示す装置を用いて銅テープ４３を酸化物超電導導体２８に縦添えして長手方向に銅テープ４３をフォーミング装置４８で丸め加工しながらＴＩＧ溶接装置４９で金属パイプを造管しながら超電導導体２８を金属パイプの内側に収納し、必要に応じコルゲート装置５２でコルゲート加工することで、図１に示す断面構造の高温超電導ケーブル１のうち、金属コルゲート管１５の部分までを製造することができる。
【００４７】
図１に示す実施形態の金属パイプ１２は、予めコンフォーム装置などを用いて押出加工して得た金属パイプを用いても良いし、図７に示す装置を用いて先に説明したように金属パイプ１２を造管しながらその内部に酸化物超電導導体２８を収容してゆくように製造することもできる。この製造方法によれば、金属パイプ１２の造管作業と同時に金属パイプ１２への酸化物超電導導体２８の収容操作ができるので、製造工程の簡略化ができる。
また、図７に示す装置によれば、金属パイプ１２の形成から酸化物超電導導体２８の収容、金属コルゲート管の製造までの工程を同一工程で実現可能であるので、製造コストの面で極めて有利な特徴を有する。
【実施例】
【００４８】
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍのテープ状の基材を用意し、このテープ状基材の表面を研磨して鏡面に仕上げた。
このテープ基材をエタノール、アセトンの有機溶剤を用いて脱脂、洗浄した後、イオンビームスパッタ法を用いてテープ基材の表面にＡｌ２Ｏ３からなる厚さ１００ｎｍの拡散防止層を形成し、更にその上にイオンビームスパッタ法を用いてＹ２Ｏ３からなる厚さ３０ｎｍのベッド層を形成した。イオンビームスパッタ法の実施にあたりテープ状の基材はスパッタ装置の内部においてリールに巻回しておき、一方のリールから他方のリールに繰り出す間に成膜できるようにしてテープ状基材の全長にわたり、拡散防止層とベッド層を形成した。
次に、イオンビームアシストスパッタ装置を用いてＩＢＡＤ法を実施し、ベッド層上に厚さ５〜１０ｎｍのＭｇＯの配向層を形成した。この場合、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対し、４５゜とした。ＩＢＡＤ法の実施にあたりテープ状の基材はスパッタ装置の内部においてリールに巻回しておき、一方のリールから他方のリールに繰り出す間に成膜できるようにしてテープ状基材の全長にわたり、ＭｇＯの配向層を形成した。
【００４９】
続いてパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）を用いてＭｇＯの配向層上にＣｅＯ２の厚さ５００ｎｍのキャップ層を形成した。更に、このキャップ層上にパルスレーザー蒸着法によりＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの厚さ１μｍの酸化物超電導層を形成した。パルスレーザー蒸着法の実施にあたり成膜装置内部でテープ状の基材をリールからリールへ供給する間に成膜するようにした。
【００５０】
次に、スパッタ法により酸化物超電導層上に厚さ１０μｍのＡｇの第１の安定化層を形成した。このスパッタ法においてもテープ状の基材をリールからリールへ供給する間に成膜できるようにしている。次に、酸素アニールを５００℃で１０時間行い、２６時間炉冷後、取り出した。
そして、Ａｇの第１の安定化層の上に片面半田付きの銅テープを貼り合わせ、全周にポリイミドテープを重ね巻きして図２に示す断面構造の酸化物超電導積層体とした。以上の工程により、テープ状の長尺の基材上に拡散防止層とベッド層と配向層とキャップ層と酸化物超電導層と第１の安定化層と第２の安定化層を備えた構造の酸化物超電導積層体を形成した。
【００５１】
次に、図１に示す横断面平板型のテープ状の支持体、図４に示す横断面コ字型の支持体、図５に示すＣ字型の支持体、図６に示す分割構造の支持体をそれぞれ用意し、これらの支持体を使い分けて各支持体に上述の構造の酸化物超電導積層体を固定し、高温超電導ケーブルの試作を行った。各支持体は、窒化ほう素（ＢＮ：線膨張係数：１×１０−６）から構成している。
窒化ほう素製の分割支持体を図６に示す如く２つ配置してそれらの間に酸化物超電導積層体を挟みつつ銅の金属パイプの内部に収容してなる構造を作製した。分割支持体の幅は３ｍｍ（積層体を挟んでいる部分の厚さ）、金属パイプの内径は２０ｍｍのものを用いた。酸化物超電導積層体の上下に高さ約１０ｍｍの流通路を設けた構造となっている。
【００５２】
金属パイプに収容する際、酸化物超電導積層体を挟んだこれらの支持体の両側から、０．５ＭＰａ、０．９ＭＰａ、１．１ＭＰａの側圧を酸化物超電導積層体に印加するように組み立てて、それぞれの高温超電導ケーブルを作製し、それぞれ液体窒素において冷却して超電導特性を測定したところ、以下の結果となった。
支持体側圧：０．２５ＭＰａ：△：超電導導体の安定性が悪い。
支持体側圧：０．５ＭＰａ：○：超電導特性劣化無し。
支持体側圧：０．９ＭＰａ：○：超電導特性劣化無し。
支持体側圧：１．１ＭＰａ：×：超電導特性劣化有り。
以上の結果から、金属パイプに収容する際、支持体側圧は０．９ＭＰａ以下の値となるように作製する必要があることが判明した。また、前記側圧の評価結果から、０．５ＭＰａ以上、０．９ＭＰａの範囲がより好ましい。
【００５３】
図１、図４、図５、図６のそれぞれの構造について、支持体の形状及び材質について、検討した。図１の構造の支持体をＡｌＮから作製した試料（試料１）、図１の構造の支持体をＢＮから作製した試料（試料２）、図４の構造の支持体をＡｌＮから作製した試料（試料３）、図４の構造の支持体をＢＮから作製した試料（試料４）、図５の構造の支持体をフッ素樹脂から作製した試料（試料５）、図１の構造の支持体を銅から作製した試料（試料６）、図１の構造の支持体をハステロイから作製した試料（試料７）につき、それぞれ熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）を測定した。その結果を以下に示す。
【００５４】
試料１（ＡｌＮ）：２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料２（ＢＮ）：６０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料３（ＡｌＮ）：２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料４（ＢＮ）：６０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料５（フッ素樹脂）：０．３（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料６（銅）：３５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料７（ハステロイＣ２７６）：１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）。
以上の結果から、ＡｌＮやＢＮからなる支持体を適用することで、絶縁性を確保しつつフッ素樹脂製の支持体を適用した構造よりも機械強度を保ちつつ、冷却特性の優れた支持体を得られる。ＡｌＮやＢＮからなる支持体であるならば、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）は６０〜２００の範囲とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、送電線、各種電力機器に用いられる酸化物超電導導体を適用した高温超電導ケーブルに利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…高温超電導ケーブル、２…酸化物超電導積層体、３…基材、４…第１の中間層、５…第２の中間層、６…酸化物超電導層、７…第１の安定化層、８…第２の安定化層、９…保護層、１０…酸化物超電導集合体、１５…金属コルゲート管、１６…保護シース（絶縁被覆層）、２１…拡散防止層、２２…ベッド層、２５…配向層、２７…酸化物超電導集合体、２８…酸化物超電導導体、３１…支持体、３１ａ…凹溝、３２Ａ〜３２Ｃ…流通路、３３…支持体、３３ａ…凹溝、３４…流通路、３５…分割支持体、３５ｂ…凹溝、３６、３７…流通路、４０…製造装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に中間層と酸化物超電導層と安定化層を備えた積層構造の酸化物超電導積層体を備えた高温超電導ケーブルに関する。
【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し、電流損失が低いため、実用上極めて有望な高温超電導体として研究されており、これを線材に加工して電力供給用の高温超電導線ケーブルとして使用することが要望されている。酸化物超電導体を線材に加工するための方法として、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、このテープ状の金属基材上に酸化物超電導層を形成する方法が研究されている。
【０００３】
上述の高温超電導線材を用いた高温超電導ケーブルは、高価な液体ヘリウムを必要とする低温超電導体と比べ、安価な液体窒素で運用することができ、送電時のエネルギー損失を低減できる有望な技術として研究開発が進められている。
この種の高温超電導ケーブルの一例として、図８に示す如く、三心一括型高温超電導ケーブルであって、撚線からなるフォーマ１００の外周に高温超電導線を巻線状に複数層配置して超電導層１０１を形成し、その外周に絶縁層１０２、１０３と超電導シールド層１０５と保護層１０６を形成してコアケーブル１０７を構成し、このコアケーブル１０７を３本そろえて断熱管１０８の内部に冷媒流通用の間隙１０４をあけて収容し、全体を保護層１０９で覆ってなる構造の高温超電導ケーブル１１０が知られている。
また、構造を単純化した三相同軸型の超電導ケーブルとして、内部に液体窒素流路１１１を形成した銅管からなるフォーマ１１２の外周に超電導テープ線１１３、１１４、１１５を絶縁層１１６、１１７を介し積層して多層構造とし、その外側に冷媒の流路を介して断熱層１１８とシールド層１１９で覆ってなる構造の高温超電導ケーブル１２０が知られている。
【０００４】
図８、図９に示す構造の高温超電導ケーブル１１０、１２０の特徴としては、超電導特性を示す低温域まで超電導線材を冷却するため、超電導ケーブルの構造内に液体窒素流路を確保し、液体窒素を超電導ケーブル内に循環させることで、高温超電導ケーブル１１０、１２０を冷却可能な構造としている。
【０００５】
その他、この種の高温酸化物超電導ケーブルにおいて、図１０に示す如くテープ状の超電導導体１２１をらせん溝１２２が形成された絶縁体のスペーサ１２３に収容し、このスペーサ１２３を保護層１２５で覆ってなる構造の超電導ケーブル１２６が提案されている。この構造の高温酸化物超電導ケーブル１２６においてらせん溝１２２の内部には超電導導体１２１を収容した状態において間隙があけられており、この間隙が冷媒流通路１２７とされている。（特許文献１参照）
また、高温超電導ケーブルにおいて、図１１に示す如く複数の酸化物超電導層を積層した導体コア１３０を用い、これらを樹脂製の断面円形のセクター１３１の外周部に形成した溝部１３２に収容し、セクター１３１の外周をアルミニウム製のテープ１３３で覆い、断熱層１３４と銅管１３５と外被１３６で覆ってなる構造の超電導ケーブル１３７が提案されている。（特許文献２参照）
【０００６】
高温超電導ケーブルにおいて、図１２に示す如く絶縁体からなるセクタ１４０の中心の空間部１４１に支持体１４２に支持されて超電導体ユニット１４３を収容し、セクタ１４０の外周部に設けた溝１４５に光ファイバ群１４６を備えた銅パイプ１４７を収容するとともに、セクタ１４０の外方に絶縁層１４８を介しコルゲートメタルシース１４９を被覆してなる構成の高温超電導ケーブル１５０が提案されている。（特許文献３参照）
高温超電導ケーブルにおいて、図１３に示す如く超電導体テープ１５１を絶縁層１５２で覆ってなる酸化物超電導体１５３を複数の支持体１５４で支持した状態で空間部１５５を有する絶縁体１５６に収容してなる構成の高温超電導ケーブル１５７が提案されている。（特許文献４参照）
【０００７】
高温超電導ケーブルにおいて、図１４に示す如く断面コ字型の長尺のケース１６０の内部側に銀シース１６１でテープ状の酸化物超電導層１６２を覆ってなる酸化物超電導線材を複数積層し、ケース１６０の開口部側を封止材１６３で覆ってなる超電導導体１６５を複数配列させて一体化し、集合体の両端側に絶縁層１６６を配置した構成の高温超電導ケーブル１１６７が知られている。（特許文献５参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−２８４７２１号公報
【特許文献２】特開昭６３−３０７６１５号公報
【特許文献３】特開昭６４−３９０６号公報
【特許文献４】特開昭６４−３９１１号公報
【特許文献５】特開平５−６２５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図８と図９に示す構造の酸化物超電導ケーブル１１０、１２０は交流使用を想定した構造であるため、超電導ケーブルの外径が１５０ｍｍ程度となってしまう問題がある。また、図１０に示す超電導ケーブル１２６の構造はコンパクトにはなるが、機械特性の弱いＢｉ系の酸化物超電導線材を想定している構造のため、らせん溝１２２を備えたスペーサ１２３に超電導導体１２１をらせん状に収納しなければならず、超電導線材幅方向の歪（エッジワイズ）に対しても十分に注意しなければならず、高度な製造技術を要すると考えられる。
図１０に示す超電導ケーブル１２６の構造では、製造コストを考慮しても、製造時の線速を上げることは困難と考えられ、製造コストの低減には不利な構造となる。
図１１に示す超電導ケーブル１３７の構造では、機械的に強度は高いものの、複数の方向からセクター１３１の溝部１３２に導体コア１３２を収納しなければならず、収納させる工程が必要であり、高度な製造技術が必要であると考えられる。
【００１０】
図１２に示す超電導ケーブル１５０の構造では、収納方向は一方向ではあるものの、複合構造の超電導ケーブルということもあり、多くの部材を収納させる工程が必要になってくるとともに、高度な製造技術が必要であると考えられる。
図１３に示す超電導ケーブル１５７の構造では、超電導テープ１５３が空隙を介し絶縁体１５６の内部に配置されているので、超電導テープ１５３の配置密度が低い構造となり、臨界電流密度が低下するという問題がある。
図１４に示す構造では、集合導体に関する構造であり、機械的強度には優れているものの、密閉構造となるため、接続時の作業性などは損なわれる問題がある。
【００１１】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、直流用としてコンパクトな構造であり、製造しやすいとともに、機械的強度に優れた基材上に中間層、酸化物超電導層を積層してなる酸化物超電導積層体を備え、冷媒の流通路も確保できる構造とした高温超電導ケーブルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために、テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えて酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体をその厚さ方向に複数積層して酸化物超電導集合体が構成され、該酸化物超電導集合体が支持体の一面に沿って直線状に配置されるように取り付けられて酸化物超電導導体が構成され、該酸化物超電導導体が金属パイプの内部に冷媒の流通路をあけた状態で収容され、該金属パイプの外方に絶縁被覆層が形成されてなることを特徴とする。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために、前記支持体がその長さ方向全長に前記酸化物超電導集合体を収容する凹溝を備えてなることを特徴とする。
本発明は、上記課題を解決するために、前記凹溝に収容された前記酸化物超電導集合体が前記凹溝内において側圧０．９ＭＰａ以下の圧力で挟持されてなることを特徴とする。
本発明は、上記課題を解決するために、前記支持体の線膨張係数が１×１０−６〜５×１０−６であることを特徴とする。
本発明は、上記課題を解決するために、前記超電導積層体が前記支持体に接着されてなることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するために、前記支持体が前記酸化物超電導導体の幅方向両側に配置される第１の分割支持体と第２の分割支持体とからなる分割構造とされ、前記第１の分割支持体と第２の分割支持体のそれぞれに前記酸化物超電導導体の幅方向両側部分を収容する凹溝が形成されるとともに、前記酸化物超電導導体がその幅方向両側部分を前記凹溝に収容し前記第１の分割支持体と第２の分割支持体に挟まれた状態で前記金属パイプに収容されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、酸化物超電導積層体を支持体に沿って直線状に配置して取り付け、金属パイプの内部に冷媒の流通路をあけて収容したので、金属パイプ内の流通路に冷媒を流して酸化物超電導積層体を冷却しつつ酸化物超電導積層体の酸化物超電導層を超電導状態として通電することができる。この構造の高温超電導ケーブルにおいて支持体に沿って直線状に設けた酸化物超電導積層体であるならば、金属パイプの内部に酸化物超電導積層体を収容する場合の収容作業が容易であって、酸化物超電導積層体に作用する歪を軽減した状態で金属パイプの内部に収容できるので、超電導特性の劣化を生じない構造を提供することができる。また、酸化物超電導積層体を金属パイプの内部に直線状に収容した構造を採用することで、ケーブル全体の外径を小さくできる効果がある。
【００１６】
酸化物超電導積層体を収容する支持体に凹溝を設け、この凹溝に沿って酸化物超電導積層体を収容することで、直線状に配置した酸化物超電導積層体を取り囲むように支持体で保護できるとともに、流通路を流れる冷媒を凹溝に沿って流すことができるので、凹溝に沿って流れる冷媒により凹溝内部の酸化物超電導積層体を効率良く冷却できる。
また、酸化物超電導積層体を凹溝に収容する際、支持体が酸化物超電導積層体に作用させる側圧を０．９ＭＰａ以下とすることにより、酸化物超電導積層体に余計な歪を作用させることがなく、超電導特性の劣化が生じ難いとともに、酸化物超電導積層体を凹溝の内部に確実に安定保持することができる。
【００１７】
また、前記支持体の線膨張係数が１×１０−６〜５×１０−６であるならば、酸化物超電導積層体を構成する基材、中間層、酸化物超電導層および安定化層の線膨張係数と大きな差異が無く、熱履歴によって歪が作用し難いので、酸化物超電導積層体の酸化物超電導層に熱歪を与える可能性が低くなり、超電導特性の安定した高温超電導ケーブルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る高温超電導ケーブルの第１実施形態を示す概略断面図。
【図２】図１に示す高温超電導ケーブルに組み込まれている酸化物超電導積層体の概略断面図。
【図３】図２に示す酸化物超電導積層体の層構造を詳細に示す構成図。
【図４】図１に示す高温超電導ケーブルに適用される構造の第２の形態を示す断面図。
【図５】図１に示す高温超電導ケーブルに適用される構造の第３の形態を示す断面図。
【図６】図１に示す高温超電導ケーブルに適用される構造の第４の形態を示す断面図。
【図７】図１に示す高温超電導ケーブルを製造する装置の一例を示す構成図。
【図８】従来の超電導ケーブルの第１の例を示す部分断面略図。
【図９】従来の超電導ケーブルの第２の例を示す部分断面略図。
【図１０】従来の超電導ケーブルの第３の例を示す部分断面略図。
【図１１】従来の超電導ケーブルの第４の例を示す部分断面略図。
【図１２】従来の超電導ケーブルの第５の例を示す部分断面図。
【図１３】従来の超電導ケーブルの第６の例を示す部分断面図。
【図１４】従来の超電導ケーブルの第７の例を示す部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る酸化物超電導線材の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態の高温超電導ケーブル１を模式的に示す概略断面図であり、図２は該高温超電導ケーブル１に組み込まれている酸化物超電導積層体２の概略断面図、図３は該酸化物超電導積層体２の積層構造の具体例を示す構成略図である。
本実施形態において酸化物超電導積層体２は、テープ状の金属製の基材３の上に、第１の中間層４と第２の中間層５と酸化物超電導層６と第１の安定化層７と第２の安定化層８を積層し、それらの全周を囲むように保護層９を被覆してなり、この酸化物超電導積層体２を複数積層して酸化物超電導集合体２７が構成され、この酸化物超電導集合体２７がテープ状の支持体１１の上面に取り付けられて酸化物超電導導体２８が構成され、この酸化物超電導導体２８を中心部に備えて高温超電導ケーブル１が構成されている。
【００２０】
高温超電導ケーブル１は、上述の構成の酸化物超電導導体２８を収容した銅パイプなどの金属パイプ１２と、該金属パイプ１２を真空断熱層１３を介して覆う金属コルゲート管１５と、その外方に被覆されたポリエチレン層などからなる絶縁材料製の保護シース（絶縁被覆層）１６とから構成されている。
【００２１】
前記酸化物超電導積層体２は、より詳細には図３に示す如く、基材３の上面に拡散防止層２１とベッド層２２と配向層２５からなる第１の中間層４とキャップ層からなる第２の中間層５が積層され、その上に酸化物超電導層６と第１の安定化層７と第２の安定化層８を積層して構成されているが、図２では図示の簡略化のために第１の中間層４を１層のように略して描いている。なお、本発明において拡散防止層２１とベッド層２２は必須ではなく、場合によっては略しても良い。
【００２２】
前記基材３は、通常の超電導線材の基材として使用することができ、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、ステンレス鋼、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３の厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、通常は、１０〜５００μｍの範囲とすることができる。
【００２３】
拡散防止層２１は、基材３の構成元素拡散を防止する目的で形成されたもので、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、「アルミナ」とも呼ぶ）、あるいは、ＧＺＯ（Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７）等から構成され、その厚さは例えば１０〜４００ｎｍである。拡散防止層１１の厚さが１０ｎｍ未満となると、基材３の構成元素の拡散を十分に防止できなくなる虞がある。一方、拡散防止層２１の厚さが４００ｎｍを超えると、拡散防止層２１の内部応力が増大し、これにより、他の層を含めて全体が基材３から剥離しやすくなる虞がある。また、拡散防止層２１の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
【００２４】
ベッド層２２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２２は、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）などの希土類酸化物であり、組成式（α１Ｏ２）２ｘ（β２Ｏ３）（１−ｘ）で示されるものが例示できる。より具体的には、Ｅｒ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３等を例示することができる。このベッド層２２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１０〜１００ｎｍである。また、ベッド層２２の結晶性は特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成すれば良い。
【００２５】
配向層２５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キャップ層としての第２の中間層５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。配向層２５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。
この配向層２５をＩＢＡＤ（Ion-Beam-Assisted Deposition）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、その上に形成する第２の中間層５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、これにより第２の中間層５の上に成膜する酸化物超電導層６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酸化物超電導層６を得るようにすることができる。
例えば、Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７、ＭｇＯ又はＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）からなる配向層２５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】
前記ＩＢＡＤ法による配向層２５であれば、目的とする層の構成粒子をスパッタ法により堆積させつつ、所定の入射角度でイオン照射を行うことにより、形成されるスパッタ膜の特定の結晶軸がイオンの入射方向に固定され、結晶のｃ軸が金属基板の表面に対して垂直方向に配向するとともに、結晶のａ軸及びｂ軸が面内において一定方向に配向する。このため、ＩＢＡＤ法によってベッド層２２上に形成された配向層２５は、高い面内配向度、例えばΔφ＝１２〜１６゜程度を得ることができる。
【００２７】
次に、キャップ層としての第２の中間層５は、上述のように面内結晶軸が配向した配向層２５表面に成膜されることによってエピタキシャル成長し、その後、横方向に粒成長して、結晶粒が面内方向に自己配向し得る材料、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。例えばＣｅＯ２によって構成される第２の中間層５は、上述のように自己配向していることにより、配向層２５よりも更に高い面内配向度、例えばΔφ＝４〜６゜程度を得ることができる。
【００２８】
例えば、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以上が好ましい。但し、厚すぎると結晶配向性が悪くなるので、５０〜５０００ｎｍの範囲、より好ましくは１００〜５０００ｎｍの範囲とすることができる。
【００２９】
酸化物超電導層６は高温超電導体として公知のもので良く、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６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６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；塗布熱分解法（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、ＰＬＤ（パルスレーザー蒸着）法、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）又はＣＶＤ法を用いることができる。
【００３０】
ここで前述のように、良好な配向性を有する第２の中間層５上に酸化物超電導層６を形成すると、この第２の中間層上に積層される酸化物超電導層６も第２の中間層５の配向性に整合するように結晶化する。よって前記第２の中間層５上に形成された酸化物超電導層６は、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層６を構成する結晶粒の１つ１つにおいては、基材１０の厚さ方向に電気を流しにくいｃ軸が配向し、基材１０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６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、基材１０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。
【００３１】
前記酸化物超電導層６の上に積層されている第１の安定化層７はＡｇなどの良電導性かつ酸化物超電導層６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。なお、第１の安定化層７をＡｇから構成する理由として、酸化物超電導層６に酸素をドープするアニール工程においてドープした酸素を酸化物超電導層６から逃避し難くする性質を有する点を挙げることができる。Ａｇの第１の安定化層７を成膜するには、スパッタ法などの成膜法を採用し、その厚さを１〜３０μｍ程度に形成できる。
第２の安定化層８は、良導電性の金属材料からなることが好ましく、酸化物超電導層６が超電導状態から常電導状態に遷移しようとした時に、第１の安定化層７とともに、超電導層６の電流が転流するバイパスとして機能する。
【００３２】
第２の安定化層８を構成する金属材料としては、良導電性を有するものであればよく、特に限定されないが、銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の銅合金、ステンレス等の比較的安価なものを用いるのが好ましく、中でも高い導電性を有し、安価であることから銅がより好ましい。銅を用いることにより、材料コストを低く抑えながら第２の安定化層８を厚膜化することが可能となり、事故電流に耐える超電導導体を安価に得ることができる。第２の安定化層８の厚さは１０〜３００μｍとすることが好ましい。安定化層８は、公知の方法で形成することができ、めっき法やスパッタ法、銅などの金属テープを第１の安定化層７上に半田付けする方法により形成することができる。
【００３３】
前記テープ状の基材３の上に拡散防止層２１とベッド層２２と配向層２５からなる第１の中間層４を形成し、その上に第２の中間層５と酸化物超電導層６と安定化層７、８を形成した積層体の全周を取り囲むようにポリイミドテープなどを重ね巻きして絶縁材料製の保護層９を形成して図２に示す構造の酸化物超電導積層体２が構成されている。この酸化物超電導積層体２の厚さは約０．２〜０．２５ｍｍである。前記保護層９としてポリイミドテープの積層構造を採用できるが、ポリイミドテープの積層間に厚さ約０．１ｍｍの半硬化エポキシ含浸ガラステープ（線膨張係数１０〜５０×１０−６／℃）を配置することにより一体化することができる。
また、この酸化物超電導積層体２を複数、図１の形態では７層、厚さ方向に積層して酸化物超電導集合体２７が構成されるともに、これらが絶縁材、金属からなるテープ状の支持体１１の表面側に接着などの固定手段により取り付けられて積層構造の酸化物超電導導体２８が構成されている。前記１つの酸化物超電導積層体２は厚さ約０．２ｍｍ〜０．２５ｍｍ、幅約１０ｍｍ程度のテープ状とされている。
【００３４】
前記酸化物超電導導体２８は金属パイプ１２の内部に収容されているが、金属パイプ１２の内径は酸化物超電導導体２８の幅よりも大きくされているので、酸化物超電導導体２８の周囲側において金属パイプ１２の内面との間には間隙が形成され、これらの間隙が液体窒素などの冷媒の流通路３０とされている。また、金属コルゲート管１５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、保護シース１６は防食用のポリエチレン層などの樹脂被覆層からなる。
【００３５】
以上説明した構成の高温超電導ケーブル１にあっては、図８ 、図９に示す従来構造の超電導ケーブルの外径が１５０ｍｍ程度と大きくなっていたのに対し、テープ状の基材３を含めた酸化物超電導積層体２の厚さが約０．２ｍｍ〜０．２５ｍｍであって薄く、７層程度積層して酸化物超電導集合体２７として、それを金属パイプ１２や金属コルゲート管１５、保護シース１６で覆ったとしても、外径１００ｍｍ以下で実現できる。
この比較を詳細に行うと、臨界電流１００Ａ／ｃｍ（７７Ｋ）の超電導線材を用いて、通電電流１０００Ａ、超電導線材の臨界電流２０００Ａの超電導ケーブルを得ようとすると、図８の構造では、幅２ｍｍの超電導線材を適用し、超電導線材の臨界電流２０Ａ／２ｍｍ（７７Ｋ）となるので、１００本の超電導線材が必要となり、超電導ケーブル全体の外径は１４０ｍｍ程度、中芯のケーブル外径（３心のうち、１心の外径）でも７０〜８０ｍｍ程度となってしまう。
【００３６】
これに対し図１の構造では、直流用と限定するならば、超電導積層体に幅１０ｍｍの構造を適用することができるので、超電導導積層体は２０本の積層となり、その厚さは４ｍｍ程度となり、それを収容する金属パイプ１２の内径を１５ｍｍ程度とすることができるので、超電導ケーブル１としての外径を５０ｍｍ以下とすることが可能となる。
本実施形態の高温超電導ケーブル１にあっては、ハステロイなどの強度の高いテープ状の基材３の上に酸化物超電導層６が形成されていて、酸化物超電導積層体２が構成されているので、Ｂｉ系などの酸化物超電導導体において従来適用されていた酸化物超電導層をＡｇの被覆層で覆う構造の超電導導体に対比すると、機械的強度が優れるという効果を奏する。
【００３７】
また、本実施形態の高温超電導ケーブル１によれば、酸化物超電導積層体２を積層した酸化物超電導導体２８を支持体１１に沿って直線状に配置して取り付け、金属パイプの内部に冷媒の流通路３０をあけて収容したので、金属パイプ１２内の流通路３０に冷媒を流して酸化物超電導積層体２を冷却しつつ酸化物超電導積層体２の酸化物超電導層６を超電導状態として通電することができる。この構造の高温超電導ケーブル１において支持体１１に沿って直線状に設けた酸化物超電導積層体２であるならば、金属パイプ１２の内部に長尺の酸化物超電導導体２８を収容する場合の収容作業が容易であって、酸化物超電導積層体２に作用する歪を軽減した状態で金属パイプ１２の内部に収容できるので、超電導特性の劣化を生じない構造を提供することができる。また、酸化物超電導積層体２を金属パイプの内部に直線状に収容した構造を採用することで、ケーブル全体の外径を小さくできる効果がある。
【００３８】
本実施形態の構造において、酸化物超電導導体２８を金属パイプ１２で覆ってなる構造に対し、この構造を図４に示す構造で置き換えることができる。
図４に示す第２実施形態の構造では、酸化物超電導積層体２を積層した酸化物超電導集合体２７を取り付ける長尺の支持体が横断面コ字型の支持体３１であり、この支持体３１の底壁３１Ａと側壁３１Ｂ、３１Ｂとに囲まれた状態となるように酸化物超電導積層体２を積層してなる酸化物超電導集合体２７が支持体３１の凹部３１ａに収容され、酸化物超電導導体２８が構成される。
この形態の支持体３１はその横断面の各コーナー部分が金属パイプ１２の内面に当接する程度の大きさとされているので、酸化物超電導集合体２７を収容した支持体３１を金属パイプ１２の内部に挿入した状態においては、図４に示す如く酸化物超電導集合体２７の上面と金属パイプ１２の内面との間には最大幅ｄの空隙部が形成され、この空隙部が冷媒の流通路３２Ａとされている。また、支持体３１の両側面と金属パイプ１２の内面との間には流通路３２Ｂが形成され、支持体３１の底面と金属パイプ１２の内面との間には流通路３２Ｃが形成されている。
【００３９】
図４に示す構造において、支持体３１により酸化物超電導集合体２７を金属パイプ１２の内部に安定した状態で支持することができ、酸化物超電導集合体２７の周囲側に冷媒の流通路３２Ａ〜３２Ｃを形成しているので、流通路３２Ａ〜３２Ｃに液体窒素などの冷媒を流通させて酸化物超電導集合体２７を冷却し、各酸化物超電導積層６を超電導状態として通電することで、高温超電導ケーブル１を電力輸送用ケーブルとして利用することができる。
また、図１〜図３に示す構造において、支持体１１、銅パイプ１２、金属コルゲート管１５に相当する部分を酸化物超電導積層体２と同程度の線膨張係数の材料を適用することによって、冷媒の流通路に液体窒素を流した場合、高温超電導ケーブル１の収縮長さを均一にできるので、高温超電導ケーブル１や酸化物超電導集合体２７、酸化物超電導層６に余計な応力を負荷することのないケーブル構造を提供できる。
【００４０】
図４の構造において、酸化物超電導集合体２７を収容する支持体３１に凹溝３１ａを設け、この凹溝３１ａに沿って酸化物超電導集合体２７を収容することで、直線状に配置した酸化物超電導集合体２７を取り囲むように支持体３１で保護できるとともに、流通路３２Ａを流れる冷媒を凹溝３１ａに沿って流すことができるので、凹溝３１ａに沿って流れる冷媒により凹溝３１ａ内の酸化物超電導集合体２７を効率良く冷却できる。
また、酸化物超電導集合体２７を凹溝３１ａに収容する際、支持体３１が酸化物超電導集合体２７に作用させる側圧を０．９ＭＰａ以下とすることにより、酸化物超電導積層体２に余計な歪を作用させることがなく、超電導特性の劣化が生じ難いとともに、酸化物超電導集合体２７を凹溝３１ａの内部に確実に安定保持することができる。
【００４１】
本実施形態の構造において、酸化物超電導導体２８を金属パイプ１２で覆ってなる構造に対し、この構造を図５に示す構造で置き換えることができる。
図５に示す第３実施形態の構造では、酸化物超電導積層体２を設置する長尺の支持体が横断面Ｃ字型の支持体３３であり、この支持体３３の底壁３３Ａと側壁３３Ｂ、３３Ｂとに囲まれた状態となるように酸化物超電導積層体２を積層してなる酸化物超電導集合体２７が支持体３３の凹部３３ａに収容されている。この形態の支持体３３の外周面の３／４程度は金属パイプ１２の内周面に隙間無く挿入されるように円弧形状とされており、支持体３３の内面側には酸化物超電導集合体２７の底面と側面を隙間無く挿入するために角溝型の凹部３３ａとされていて、図５に示す如く酸化物超電導集合体２７の上面と金属パイプ１２の内面との間には最大幅ｄの空隙部が形成され、この空隙部が冷媒の流通路３４とされている。
【００４２】
本実施形態の構造において、酸化物超電導導体２８を金属パイプ１２で覆ってなる構造に対し、この構造を図６に示す構造で置き換えることができる。
図６に示す第４実施形態の構造では、酸化物超電導集合体２７を設置する長尺の支持体が横断面Ｉ字型の２つの長尺の分割支持体３５、３５からなり、これらの分割支持体３５、３５に挟まれた状態の酸化物超電導集合体２７が金属パイプ１２の内部に収容されている。
【００４３】
これらの分割支持体３５、３５は、それらの間に酸化物超電導集合体２７を挟んで金属パイプ１２の内部に収容された状態において、それらの幅方向両側端部３５ａを金属パイプ１２の内面に当接させる程度の大きさに形成され、分割支持体３５、３５の相対向する内面側に酸化物超電導集合体２７の両側部を収容する凹溝３５ｂを形成するための突条３５ｃ、３５ｃが形成されている。分割支持体３５、３５は、それらの間に酸化物超電導集合体２７を挟んで金属パイプ１２の内部に収容された状態において、酸化物超電導集合体２７の積層方向上下端部と金属パイプ１２の内面との間に空隙部をあけるような形状とされ、これらの空隙部が冷媒の流通路３６とされている。なお、分割支持体３５の外側面３５ｄと金属パイプ１２の内面との間にも空隙部が形成され、この空隙部が冷媒の流通路３７とされている。
【００４４】
図４〜図６に示すいずれの構造においても、支持体により酸化物超電導集合体２７を金属パイプ１２の内部に固定した状態で安定支持することができ、酸化物超電導集合体２７の周囲側に冷媒の流通路を形成しているので、流通路に液体窒素などの冷媒を流通させて酸化物超電導集合体２７を冷却し、各酸化物超電導積層６を超電導状態として通電することで、電力輸送ケーブルとして利用することができる。
また、支持体３１、３３の凹溝３１ａ、３３ａあるいは分割支持体３５の凹溝３５ｂに酸化物超電導集合体２７を挟持する場合に作用する側圧は、０．９ＭＰａ以下とすることが好ましい。これは、酸化物超電導集合体２７を構成する酸化物超電導積層体２に余計な歪を作用させることがなく、超電導特性の劣化が生じ難いとともに、酸化物超電導集合体２７を各凹溝の内部に確実に安定保持するためである。なお、支持体から酸化物超電導集合体に作用させる側圧の望ましい範囲については後述の試験結果により詳述する。
また、図６に示す構造の支持体３５は、銅などの金属でも良いが、絶縁を重視する際は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは窒化ほう素（ＢＮ）などのセラミックスからなることが好ましい。窒化ほう素の線膨張係数は１×１０−６程度、窒化アルミニウムの線膨張係数は４〜５×１０−６程度である。このことから、支持体３５をＡｌＮあるいはＢＮなどのセラミックスで構成する場合の線膨張係数は、１×１０−６〜５×１０−６の範囲が好ましい。これらを選択することが好ましい理由は、これらの材料が絶縁性に富み、熱伝達が良好なためである。
【００４５】
図７は、図１に示す断面構造の高温超電導ケーブル１を製造する場合に用いて好適な製造装置の一例を示すもので、この例の製造装置４０は、第１の送出装置４１と第２の送出装置４２を備え、第１の送出装置４１に前記構造の酸化物超電導導体２８が巻き付けられて送り出し自在とされ、第２の送出装置４２に銅テープ４３が巻き付けられて送り出し自在とされている。
第２の搬送装置４２の後段側（図７の右側）には、テープガイド装置４５と銅テープ耳取装置４６とスリッター４７とが設置され、スリッター４７の後段側にフォーミング装置４８とＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接装置４９とスクイズロール５０と冷却装置５１とコルゲート装置５２が設置され、この後段側に探傷機５３と引取キャタピラ５４と巻取装置５５が設置されている。
【００４６】
図７に示す装置を用いて銅テープ４３を酸化物超電導導体２８に縦添えして長手方向に銅テープ４３をフォーミング装置４８で丸め加工しながらＴＩＧ溶接装置４９で金属パイプを造管しながら超電導導体２８を金属パイプの内側に収納し、必要に応じコルゲート装置５２でコルゲート加工することで、図１に示す断面構造の高温超電導ケーブル１のうち、金属コルゲート管１５の部分までを製造することができる。
【００４７】
図１に示す実施形態の金属パイプ１２は、予めコンフォーム装置などを用いて押出加工して得た金属パイプを用いても良いし、図７に示す装置を用いて先に説明したように金属パイプ１２を造管しながらその内部に酸化物超電導導体２８を収容してゆくように製造することもできる。この製造方法によれば、金属パイプ１２の造管作業と同時に金属パイプ１２への酸化物超電導導体２８の収容操作ができるので、製造工程の簡略化ができる。
また、図７に示す装置によれば、金属パイプ１２の形成から酸化物超電導導体２８の収容、金属コルゲート管の製造までの工程を同一工程で実現可能であるので、製造コストの面で極めて有利な特徴を有する。
【実施例】
【００４８】
ハステロイＣ２７６（米国ヘインズ社商品名）からなる幅１０ｍｍ、厚さ０.１ｍｍのテープ状の基材を用意し、このテープ状基材の表面を研磨して鏡面に仕上げた。
このテープ基材をエタノール、アセトンの有機溶剤を用いて脱脂、洗浄した後、イオンビームスパッタ法を用いてテープ基材の表面にＡｌ２Ｏ３からなる厚さ１００ｎｍの拡散防止層を形成し、更にその上にイオンビームスパッタ法を用いてＹ２Ｏ３からなる厚さ３０ｎｍのベッド層を形成した。イオンビームスパッタ法の実施にあたりテープ状の基材はスパッタ装置の内部においてリールに巻回しておき、一方のリールから他方のリールに繰り出す間に成膜できるようにしてテープ状基材の全長にわたり、拡散防止層とベッド層を形成した。
次に、イオンビームアシストスパッタ装置を用いてＩＢＡＤ法を実施し、ベッド層上に厚さ５〜１０ｎｍのＭｇＯの配向層を形成した。この場合、アシストイオンビームの入射角度は、テープ状基材成膜面の法線に対し、４５゜とした。ＩＢＡＤ法の実施にあたりテープ状の基材はスパッタ装置の内部においてリールに巻回しておき、一方のリールから他方のリールに繰り出す間に成膜できるようにしてテープ状基材の全長にわたり、ＭｇＯの配向層を形成した。
【００４９】
続いてパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法）を用いてＭｇＯの配向層上にＣｅＯ２の厚さ５００ｎｍのキャップ層を形成した。更に、このキャップ層上にパルスレーザー蒸着法によりＧｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの厚さ１μｍの酸化物超電導層を形成した。パルスレーザー蒸着法の実施にあたり成膜装置内部でテープ状の基材をリールからリールへ供給する間に成膜するようにした。
【００５０】
次に、スパッタ法により酸化物超電導層上に厚さ１０μｍのＡｇの第１の安定化層を形成した。このスパッタ法においてもテープ状の基材をリールからリールへ供給する間に成膜できるようにしている。次に、酸素アニールを５００℃で１０時間行い、２６時間炉冷後、取り出した。
そして、Ａｇの第１の安定化層の上に片面半田付きの銅テープを貼り合わせ、全周にポリイミドテープを重ね巻きして図２に示す断面構造の酸化物超電導積層体とした。以上の工程により、テープ状の長尺の基材上に拡散防止層とベッド層と配向層とキャップ層と酸化物超電導層と第１の安定化層と第２の安定化層を備えた構造の酸化物超電導積層体を形成した。
【００５１】
次に、図１に示す横断面平板型のテープ状の支持体、図４に示す横断面コ字型の支持体、図５に示すＣ字型の支持体、図６に示す分割構造の支持体をそれぞれ用意し、これらの支持体を使い分けて各支持体に上述の構造の酸化物超電導積層体を固定し、高温超電導ケーブルの試作を行った。各支持体は、窒化ほう素（ＢＮ：線膨張係数：１×１０−６）から構成している。
窒化ほう素製の分割支持体を図６に示す如く２つ配置してそれらの間に酸化物超電導積層体を挟みつつ銅の金属パイプの内部に収容してなる構造を作製した。分割支持体の幅は３ｍｍ（積層体を挟んでいる部分の厚さ）、金属パイプの内径は２０ｍｍのものを用いた。酸化物超電導積層体の上下に高さ約１０ｍｍの流通路を設けた構造となっている。
【００５２】
金属パイプに収容する際、酸化物超電導積層体を挟んだこれらの支持体の両側から、０．５ＭＰａ、０．９ＭＰａ、１．１ＭＰａの側圧を酸化物超電導積層体に印加するように組み立てて、それぞれの高温超電導ケーブルを作製し、それぞれ液体窒素において冷却して超電導特性を測定したところ、以下の結果となった。
支持体側圧：０．２５ＭＰａ：△：超電導導体の安定性が悪い。
支持体側圧：０．５ＭＰａ：○：超電導特性劣化無し。
支持体側圧：０．９ＭＰａ：○：超電導特性劣化無し。
支持体側圧：１．１ＭＰａ：×：超電導特性劣化有り。
以上の結果から、金属パイプに収容する際、支持体側圧は０．９ＭＰａ以下の値となるように作製する必要があることが判明した。また、前記側圧の評価結果から、０．５ＭＰａ以上、０．９ＭＰａの範囲がより好ましい。
【００５３】
図１、図４、図５、図６のそれぞれの構造について、支持体の形状及び材質について、検討した。図１の構造の支持体をＡｌＮから作製した試料（試料１）、図１の構造の支持体をＢＮから作製した試料（試料２）、図４の構造の支持体をＡｌＮから作製した試料（試料３）、図４の構造の支持体をＢＮから作製した試料（試料４）、図５の構造の支持体をフッ素樹脂から作製した試料（試料５）、図１の構造の支持体を銅から作製した試料（試料６）、図１の構造の支持体をハステロイから作製した試料（試料７）につき、それぞれ熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）を測定した。その結果を以下に示す。
【００５４】
試料１（ＡｌＮ）：２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料２（ＢＮ）：６０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料３（ＡｌＮ）：２００（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料４（ＢＮ）：６０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料５（フッ素樹脂）：０．３（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料６（銅）：３５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、試料７（ハステロイＣ２７６）：１０（Ｗ／ｍ・Ｋ）。
以上の結果から、ＡｌＮやＢＮからなる支持体を適用することで、絶縁性を確保しつつフッ素樹脂製の支持体を適用した構造よりも機械強度を保ちつつ、冷却特性の優れた支持体を得られる。ＡｌＮやＢＮからなる支持体であるならば、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）は６０〜２００の範囲とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、送電線、各種電力機器に用いられる酸化物超電導導体を適用した高温超電導ケーブルに利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…高温超電導ケーブル、２…酸化物超電導積層体、３…基材、４…第１の中間層、５…第２の中間層、６…酸化物超電導層、７…第１の安定化層、８…第２の安定化層、９…保護層、１０…酸化物超電導集合体、１５…金属コルゲート管、１６…保護シース（絶縁被覆層）、２１…拡散防止層、２２…ベッド層、２５…配向層、２７…酸化物超電導集合体、２８…酸化物超電導導体、３１…支持体、３１ａ…凹溝、３２Ａ〜３２Ｃ…流通路、３３…支持体、３３ａ…凹溝、３４…流通路、３５…分割支持体、３５ｂ…凹溝、３６、３７…流通路、４０…製造装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えて酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体をその厚さ方向に複数積層して酸化物超電導集合体が構成され、該酸化物超電導集合体が支持体の一面に沿って直線状に配置されるように取り付けられて酸化物超電導導体が構成され、該酸化物超電導導体が金属パイプの内部に冷媒の流通路をあけた状態で収容され、該金属パイプの外方に絶縁被覆層が形成されてなることを特徴とする高温超電導ケーブル。
【請求項２】
前記支持体がその長さ方向全長に前記酸化物超電導集合体を収容する凹溝を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項３】
前記凹溝に収容された前記酸化物超電導集合体が前記凹溝内において側圧０．９ＭＰａ以下の圧力で挟持されてなることを特徴とする請求項２に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項４】
前記支持体の線膨張係数が１×１０−６〜５×１０−６であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項５】
前記超電導積層体が前記支持体に接着されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項６】
前記支持体が前記酸化物超電導導体の幅方向両側に配置される第１の分割支持体と第２の分割支持体とからなる分割構造とされ、前記第１の分割支持体と第２の分割支持体のそれぞれに前記酸化物超電導導体の幅方向両側部分を収容する凹溝が形成されるとともに、前記酸化物超電導導体がその幅方向両側部分を前記凹溝に収容し前記第１の分割支持体と第２の分割支持体に挟まれた状態で前記金属パイプに収容されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項１】
テープ状の基材と、該基材上に設けられた中間層と酸化物超電導層と、該酸化物超電導層上に設けられた安定化層とを備えて酸化物超電導積層体が構成され、該酸化物超電導積層体をその厚さ方向に複数積層して酸化物超電導集合体が構成され、該酸化物超電導集合体が支持体の一面に沿って直線状に配置されるように取り付けられて酸化物超電導導体が構成され、該酸化物超電導導体が金属パイプの内部に冷媒の流通路をあけた状態で収容され、該金属パイプの外方に絶縁被覆層が形成されてなることを特徴とする高温超電導ケーブル。
【請求項２】
前記支持体がその長さ方向全長に前記酸化物超電導集合体を収容する凹溝を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項３】
前記凹溝に収容された前記酸化物超電導集合体が前記凹溝内において側圧０．９ＭＰａ以下の圧力で挟持されてなることを特徴とする請求項２に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項４】
前記支持体の線膨張係数が１×１０−６〜５×１０−６であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項５】
前記超電導積層体が前記支持体に接着されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項６】
前記支持体が前記酸化物超電導導体の幅方向両側に配置される第１の分割支持体と第２の分割支持体とからなる分割構造とされ、前記第１の分割支持体と第２の分割支持体のそれぞれに前記酸化物超電導導体の幅方向両側部分を収容する凹溝が形成されるとともに、前記酸化物超電導導体がその幅方向両側部分を前記凹溝に収容し前記第１の分割支持体と第２の分割支持体に挟まれた状態で前記金属パイプに収容されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高温超電導ケーブル。
【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】
【公開番号】特開２０１２−７４３４０（Ｐ２０１２−７４３４０Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２８９５３（Ｐ２０１０−２２８９５３）
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【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２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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