特許 6569959 高温超伝導線材の接続体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6569959

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】高温超伝導線材の接続体

(51)【国際特許分類】

   H01R 4/68 20060101AFI20190826BHJP

   H01B 12/06 20060101ALI20190826BHJP

   H01L 39/02 20060101ALI20190826BHJP

   H01F 6/06 20060101ALI20190826BHJP

【ＦＩ】

   H01R4/68ZAA

   H01B12/06

   H01L39/02 D

   H01F6/06 500

【請求項の数】5

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-165142(P2017-165142)

(22)【出願日】2017年8月30日

(65)【公開番号】特開2019-46557(P2019-46557A)

(43)【公開日】2019年3月22日

【審査請求日】2019年3月14日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】504193837

【氏名又は名称】国立大学法人室蘭工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100126505

【弁理士】

【氏名又は名称】佐貫 伸一

(74)【代理人】

【識別番号】100106622

【弁理士】

【氏名又は名称】和久田 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100138357

【弁理士】

【氏名又は名称】矢澤 広伸

(74)【代理人】

【識別番号】100131392

【弁理士】

【氏名又は名称】丹羽 武司

(72)【発明者】

【氏名】金 新哲

(72)【発明者】

【氏名】前田 秀明

(72)【発明者】

【氏名】▲柳▼澤 吉紀

【審査官】 山下 寿信

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１３４６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／０４３５５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開昭６１−１１４５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０８８３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３００８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２８１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１１７５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２５７１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１１８７３２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｒ ４／６８

Ｈ０１Ｂ １２／０６

Ｈ０１Ｆ ６／０６

Ｈ０１Ｌ ３９／０２

Ｈ０２Ｇ １５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温超伝導材料からなる高温超伝導層を含む高温超伝導線材同士が接続された高温超伝導線材の接続体であって、
対向する第１の高温超伝導線材と第２の高温超伝導線材とが、当該第１の高温超伝導線材および第２の高温超伝導線材の長手方向に沿って互いに分離している複数の接合箇所において超伝導接続されており、
前記第１の高温超伝導線材の高温超伝導層と前記第２の高温超伝導線材の高温超伝導層は、直接接合されている、
ことを特徴とする高温超伝導線材の接続体。

【請求項2】

前記複数の接合箇所のそれぞれは、矩形、角丸矩形、楕円形のいずれかであり、前記高温超伝導線材の長手方向の長さをＬ、幅方向の長さをＷとしたときに、
０．１＜Ｌ／Ｗ＜１．５
を満たす、
ことを特徴とする請求項１に記載の高温超伝導線材の接続体。

【請求項3】

０．２５＜Ｌ／Ｗ＜０．７５を満たす、
ことを特徴とする請求項２に記載の高温超伝導線材の接続体。

【請求項4】

前記複数の接合箇所についての前記Ｗおよび／または前記Ｌは、前記高温超伝導線材の長手方向に沿って上流側から下流側に向かって単調増加する、
ことを特徴とする請求項２または３に記載の高温超伝導線材の接続体。

【請求項5】

高温超伝導材料からなる高温超伝導層を含む高温超伝導線材同士が接続された高温超伝導線材の接続体であって、
対向する第１の高温超伝導線材と第２の高温超伝導線材とが、当該第１の高温超伝導線材および第２の高温超伝導線材の長手方向に沿って互いに分離している複数の接合箇所において超伝導接続されており、
前記複数の接合箇所の、前記高温超伝導線材の長手方向の長さをＬ、幅方向の長さをＷ
としたときに、
前記複数の接合箇所についての前記Ｗおよび／または前記Ｌは、前記高温超伝導線材の長手方向に沿って上流側から下流側に向かって単調増加する、
ことを特徴とする高温超伝導線材の接続体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高温超伝導線材の接続体に関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導線材は、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）装置や、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置などに広く用いられている。近年は、希土類系の高温超伝導線材（ＲＥＢＣＯ超伝導線材）が生産されており、これを用いた研究開発が行われている。

【0003】

超伝導線材同士の接続は、線材の長尺化や永久電流モードの実現などのために、必要不可欠な技術的課題である。ＲＥＢＣＯ超伝導線材同士の低抵抗接続は、従来は半田付けによって行われており、この手法では約１０^−８Ωの電気抵抗値が発生してしまうことが知られている。

【0004】

近年、ＲＥＢＣＯ超伝導線材同士を直接接続する研究が行われており、特許文献１では溶融拡散法という手法が提案されている。この手法では、２つのＲＥＢＣＯ超伝導線材の保護層を除去し、超伝導層同士を当接して加圧しながら、超伝導層の溶融点まで加熱することによって当接させた超伝導層の厚さ方向の一部を溶融拡散して超伝導線材同士を接合する。これにより、ＲＥＢＣＯ超伝導線材同士を、半田付けによる接続よりも低抵抗に接続することができると報告されている。同様の手法は、特許文献２−３においても提案されている。

【0005】

また、本発明者らは、特許文献４・非特許文献１において、高温超伝導バルク体を介した間接的な高温超伝導線材の接続手法（溶融成長法）を提案している。この手法は、高温超伝導バルク体を溶融し、高温超伝導層を種結晶として結晶成長させることにより、高温超伝導層と高温超伝導バルク体とを接続する手法である。この手法は、溶融拡散法と比較して短時間で接続が行え、また、接続の機械的強度が強いという利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２０１１−５１５７９２号公報

【特許文献2】特開２０１５−２１９９６０号公報

【特許文献3】特開２０１６−９１８８０号公報

【特許文献4】国際公開第２０１５／１１８７３２号

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Jin, Xinzhe, et al. "Development of a superconducting joint between a GdBa2Cu3O7-δ-coated conductor and YBa2Cu3O7-δ bulk: towards a superconducting joint between RE (Rare Earth) Ba2Cu3O7-δ-coated conductors." Superconductor Science and Technology 28.7 (2015): 075010.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述したいずれの接続方法においても、最大の技術的課題は、超伝導接続の電流容量を高めることである。バルクを用いた接合方法はこれまで電流容量がそれほど多くなかった。また、溶融拡散法では、電流容量を増やすためには１週間以上の長い熱処理が必要となる。

【0009】

このような課題を考慮し、本発明は、高温超伝導線材の接続において、大きな電流容量の接続を製造可能な技術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】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明においては、高温超伝導線材同士を接続する際に、互いに分離した複数の接合箇所においてこれらの線材を接続する。より具体的には、本発明は、高温超伝導層を含む高温超伝導線材同士が接続された高温超伝導線材の接続体であって、対向する第１の高温超伝導線材と第２の高温超伝導線材とが、当該第１の高温超伝導線材および第２の高温超伝導線材の長手方向に沿って互いに分離している複数の接合箇所において接続されている、ことを特徴とする。

【0011】

本発明において、前記複数の接合箇所のそれぞれは、矩形、角丸矩形、楕円形のいずれかであってよく、前記高温超伝導線材長手方向の長さをＬ、幅方向の長さをＷとしたときに、０．１＜Ｌ／Ｗ＜１．５を満たすことが好ましい。また、０．２５＜Ｌ／Ｗ＜０．７５を満たすことがより望ましい。

【0012】

本発明において、前記複数の接合箇所についての前記Ｗおよび／または前記Ｌは、前記高温超伝導線材長手方向に沿って、上流側から下流側に向かって単調増加することが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、大きな電流容量を持つ高温超伝導線材の接続を提供可能である。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１（Ａ）〜１（Ｃ）、実施形態にかかる超伝導線材の接続体の概要を示す図である。

【図2】図２は、一般的な高温超伝導線材の構造を示す図である。

【図3】図３は、接続体の長さＬと幅Ｗの比と、接合面電流容量Ｉ_ｃおよび線材のみの電流容量Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}の関係を示すグラフである。

【図4】図４は、接合箇所が１〜３個のときの電気抵抗の測定結果を示すグラフである。

【図5】図５は、接合箇所の幅Ｗが線材幅Ｗｗよりも小さいときに線材に流れる電流を説明する図である。

【図6】図６は、第３の実施形態における接続体の概要を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下では、図面を参照しながら、この発明を実施するための形態を説明する。

【0016】

［第１の実施形態］
＜概要＞
図１（Ａ）は高温超伝導線材の接続体の側面図であり、図１（Ｂ）は高温超伝導線材の接続体の上面図である。図１（Ｃ）は高温超伝導線材における電流の流れを示す模式図である。

【0017】

本実施形態における高温超伝導線材の接続体は、２本の高温超伝導線材１１，１２を、複数の高温超伝導バルク体１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを介して接続したものである。なお、以下では記載の簡略化のために、高温超伝導線材のことを線材、高温超伝導バルク体をバルク体と称する場合がある。また、バルク体１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを総称して、バルク体１３と称する場合もある。

【0018】

線材１１，１２は例えばＲＥＢＣＯ線材であり、バルク体１３は線材１１，１２よりも低い融点を有するＲＥＢＣＯバルク体である。

【0019】

溶融成長法では、ＲＥＢＣＯ線材からＲＥＢＣＯ層を露出させ、線材間にバルク１３を設置して熱処理することにより接合を形成する。具体的な接合方法は非特許文献１や特許文献４に記載されている。

【0020】

図に示されるように、バルク体１３による接合が並列に複数設けられる。図１（Ａ）（Ｂ）では、接合は４カ所であるが、その数は２以上であれば何個であってもよい。個々の接合箇所において流せる最大電流には上限があるが、接合を並列に設置することにより、接続体全体に流れる電流を増加させることができる。例えば、ＮＭＲやＭＲＩ用途の超伝導線では接合電流として１００アンペア程度（７７ケルビン＆無磁場）のものが要求される。バルクを介した接合では１０アンペア程度（７７ケルビン＆無磁場）が単一の接合で流せる限界と考えられる。本手法では、接合の数を１０個とすることで、電流容量を１００アンペアまで増加させることができる。

【0021】

ここでは、溶融成長法によってバルク体１３を介して線材１１，１２を接続する場合を例にとって説明したが、溶融拡散法や固相拡散法などによって線材１１，１２同士を直接接続してもよい。上記と同様の原理により、接続体全体に流せる電流容量を大幅に増加させることができる。

【0022】

なお、一般に接続部が磁場にさらされると、電流容量が無磁場の場合の数分の一に減少する。温度７７ケルビンから４．２ケルビンになると８倍程度増加する。その意味で、機器の運転温度４．２ケルビン＆磁場下で２００アンペアの電流容量を得ようとすれば、この減少分を見込んで、温度７７ケルビン＆無磁場で１００アンペア程度を流せる必要がある。単一の接合によって短時間でこのように大きな電流容量を得ることはほぼ不可能であるが、本手法によれば複数の接合を並列に形成することにより、この程度の大きな電流容量を得ることができる。

【0023】

＜接続方法＞
上述のように、２本の高温超伝導線材１１，１２を、バルク体１３を介して接続する。ここで、高温超伝導線材１１，１２はＲＥＢＣＯ線材であり、バルク体１３は線材１１，１２よりも低い融点を有するＲＥＢＣＯバルク体である。

【0024】

線材１１，１２は、一般には、ＲＥＢＣＯ層（高温超伝導層）の他に安定化層や基板などを含む複合線材である。ＲＥＢＣＯ層は、希土類系超伝導材料（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ）をテープ状（層状）にしたものである。希土類元素には、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕが含まれる。線材１１と線材１２の希土類系超伝導材料は同一であってもよいし異なっていてもよい。溶融成長法では、バルク体１３を結晶成長させるので、ＲＥＢＣＯ層の融点は、バルク体１３の融点よりも高いことが必要とされる。ＲＥＢＣＯ線材として、Ｇｄ、Ｙ、あるいはＧｄとＹを用いたＲＥＢＣＯ層を有するものが一般に流通している。特にＧｄは１０５０〜１１００℃程度の比較的高い融点を持つので好ましい材料である。なお、線材１１のＲＥＢＣＯ層と線材１２のＲＥＢＣＯ層は、異なる希土類超伝導材料からなってもよい。

【0025】

一般に市販されているＲＥＢＣＯ線材は、機械的な補強や電気的な保護のために、複数の材料からなる多層構造を有する。図２にＲＥＢＣＯ線材の構造の一例を示す。図に示すように、下層側から、銅安定化層２０１（１５μｍ）、銀安定化層２０２（５μｍ）、基板２０３（１５０μｍ）、中間層（不図示、〜０．２μｍ）、ＲＥＢＣＯ層２０４（３μ
ｍ）、銀安定化層２０５（１０μｍ）、銅安定化層２０６（１５μｍ）を有する。ＲＥＢＣＯ線材のＲＥＢＣＯ層が、本発明における高温超伝導層に相当する。

【0026】

線材１１，１２をバルク体１３と接合するためには、ＲＥＢＣＯ層２０４をバルク体１３に接触させる必要がある。したがって、銅安定化層や銀安定化層（場合によって基板も）剥離して、ＲＥＢＣＯ層２０４を露出させる前処理が必要となる。また、接合過程において高温焼成を行うため、焼成温度以下の融点を有する材料は取り除く必要がある。焼成温度はバルク体１３の融点に応じて決まるが、７００℃あるいはそれ以上となる。したがって、線材に半田が用いられている場合には取り除く必要がある。また、焼成温度が９００℃を超える場合には、銀や銀合金（融点が９００℃前後）を取り除くことが望ましい。これらの材料を除去する方法については、後ほど詳しく説明する。

【0027】

バルク体１３は、線材１１，１２の超伝導層と同様に希土類系超伝導材料（ＲＥ’Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ）からなるが、線材ではなくバルク体である。ここで、ＲＥ’は、ＲＥＢＣＯ線材１０のＲＥＢＣＯ層におけるＲＥとは異なる元素または組成の一つまたは複数の希土類元素（Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ）を表す。バルク体１３の融点は、少なくとも焼成過程においては、線材１１，１２のＲＥＢＣＯ層の融点よりも低い必要がある。また、バルク体１３の融点が低いほど焼成温度を低くすることができるので、バルク体１３の融点は低いことが望ましい。そのため、バルク体１３中の希土類元素は、融点が低いＹ，Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏなどを主成分とすることが好ましい。

【0028】

また、ＲＥＢＣＯの化学式ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δにおいて酸素量が小さいほど融点は低くなるので、より低い温度で接続体を作製するためには、元の結晶構造を維持できる範囲内でできるだけ酸素量が少ないバルク体を用意することが好ましい。具体的には、焼成過程前のバルク体２０の酸素量はδが−１〜４の範囲内であることが好ましく、０．５〜２の範囲内であることがより好ましい。

【0029】

また、最終的に作製された接続体において、バルク体１３と線材１１、１２および接合界面の臨界電流は酸素量に依存するので、接合後に、酸素補充用の熱処理を行って酸素量を増やし、超伝導性能を高めることが好ましい。

【0030】

バルク体１３の表面のうち、少なくとも線材１１，１２のＲＥＢＣＯ層と接触する表面は、結晶成長により結晶化されている。バルク体全体を完全な単結晶まで結晶成長させる必要はなく、接触表面についてのみ単結晶となっていれば、その他の部分は多結晶であってよい。単結晶層の厚さは、十分な接合強度が得られるだけの量であればよい。例えば、厚さ数百ｎｍ（１００〜５００ｎｍ）以上で十分な接合強度が得られ、ＹｂＢＣＯにおいて１μｍ程度の結晶成長を得るための焼成時間は１時間程度で済む。

【0031】

バルク体１３の臨界電流は、含有されている希土類元素の種類と、純度と、形状に関係がある。バルク体１３に含有される希土類元素は、任意の種類のものであって構わない。バルク体１３の純度は、１０％以上とし、５０％以上とすることが好ましく、７０％以上とすることが更に好ましい。純度７０％以上の多結晶バルク体を作製することは難しくはないが、市販されている単結晶バルク体は加熱製造時の形状を保持するために非超伝導物質（常伝導または絶縁体）が多く導入される場合がある。バルク体の純度によって電気伝導性が変わるので、バルク体の純度は１０％以上でよいが、できるだけ５０％以上とすることが好ましい。

【0032】

バルク体１３の厚さ（図１（Ａ）における高さＨ）を調整することで臨界電流と機械強度を大きくすることができる。高温接合時に溶融したバルクが線材の超伝導層に広がって
十分な接合界面を得るには、線材の超伝導層の厚さ３μｍより大きいことが望ましい。そのため、バルク１３は厚さ１μｍ以上が必要である。しかし、バルク単体の作製と接合処理前のセッティングなど考慮すれば２０μｍ以上のバルクが扱い便利である。厚さの上限はバルクの作製方法と接続体の使いやすさで決まるが、１０ｍｍ以下でもよい。したがって、高さＨは、０．００１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲で適宜選択すればよい。複数のバルク体１３の高さＨは同一であっても異なっていても構わないが、製造の容易さを考慮すると高さＨは全てのバルク体１３で同一であることが好ましい。

【0033】

バルク体１３の形状は、対称な形状であることが好ましく、矩形、角丸矩形、楕円形を採用することができる。以下では、図１（Ｂ）に示すように、バルク体１３の線材長手方向の長さをＬ、幅方向の長さをＷと称する。長さＬや幅Ｗについては後述する。

【0034】

隣接するバルク体１３の間の間隔Ｇは、熱処理の際に合体してしまわない間隔であればよく、例えば、１〜１００ｍｍとするとよい。なお、間隔Ｇは狭いほど接続部全体の長さを短くすることができ好適である。例えば、間隔Ｇは１０ｍｍとするとよい。

【0035】

ＲＥＢＣＯ線材の接続処理の流れについて説明する。なお、溶融成長法は非特許文献１や特許文献４に記載されているので、ここでは簡単な説明にとどめる。

【0036】

まず、ＲＥＢＣＯバルク体１３を用意する。バルク体１３は、自ら作製してもよいが、市販品を購入してきてもよい。作製方法において、焼結法と有機酸塩法などがあり、後者では高純度のものが製造可能である。また、必要に応じて、バルク体１３の融点を下げるために酸素欠損を導入する熱処理（急冷）を施すことが好ましい。

【0037】

また、ＲＥＢＣＯ線材１１，１２を用意する。ＲＥＢＣＯ線材１０は多層構造を有しているので、ＲＥＢＣＯ層が露出するように保護層を除去する必要がある。ＲＥＢＣＯ層を露出する方法として、ＲＥＢＣＯ層２０４が基板２０３側に付いた状態で露出させる方法と、基板２０３側を除去する方法の２つの方法がある。いずれにおいても、ＲＥＢＣＯ線材の端部を液体窒素中に入れて極低温（７７Ｋ）まで急冷した後に取り出して力を加えると、材料間における不完全拘束の熱応力によって、各材料を適切に分離できる。なお、応力方向によって、ＲＥＢＣＯ層２０４のいずれの面を露出させることもできる。

【0038】

そして、露出させた２つの線材１１，１２のＲＥＢＣＯ面がバルク体１３を挟むように、線材１１，１２とバルク体１３をセットして加熱炉に入れ、バルク体１３の融点以上かつ線材１１，１２の融点未満の温度まで加熱する。これにより、バルク体１３が液相状態になる。その後、徐冷することで線材１１，１２と接触するバルク体１３の表面は、線材１１，１２のＲＥＢＣＯを種結晶として結晶成長する。最後に、超伝導性能を回復させるために、ＲＥＢＣＯ材料内に酸素を付加するための熱処理を施す。

【0039】

なお、複数のバルク体１３を同時に加熱して同時に接合を行ってもよいし、それぞれ単独で熱処理を行ってもよい。ただし、一つの温度コントローラーで複数のバルク体１３を同時に加熱するとそれぞれのバルク体１３において温度にばらつきが生じることがあるので、複数の温度コントローラーを用いてそれぞれ温度制御しながら同時に接合をするか、単独で別々に加熱することが望ましい。

【0040】

＜実験１：単一接合＞
まず、接合部（バルク体１３）を１つとして、臨界電流を測定した。

【0041】

この実験では、ＲＥＢＣＯ線材１１，１２として、住友電気工業株式会社が開発中のＲＥＢＣＯ線を用意した。この線材は、図２に示す構造を有し、幅４ｍｍ（Ｗｗ＝４ｍｍ）
、厚さ約０．２ｍｍである。この線材のＲＥＢＣＯ層は、希土類元素として、Ｇｄを主として含み、Ｙも含まれており、その融点は約１０００−１１００℃（大気中）である。また、バルク体１３として、希土類元素としてＹｂを主に含むＹｂ１２３のバルク体を利用した。Ｙｂ１２３バルクの融点は約９３０℃（大気中）である。

【0042】

バルク体１３の幅Ｗを線材幅Ｗｗと同じ４ｍｍに固定し、バルク体１３の長さＬを変えた実験を行い、接続全体の臨界電流Ｉ_ｃと線材のみの臨界電流Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}を計測した。線材のみの臨界電流Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}は、接合に伴う線材の劣化を反映する。バルク体幅Ｗが線材幅Ｗｗと等しい場合には、臨界電流Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}は、接合箇所を増やすことにより増加可能な接続全体の臨界電流の上限となる。

【0043】

バルク体長さL = 0.5mm, 1mm, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 12mm, 16mm, 20mmの場合について実験を行った。いずれにおいても、バルク体の高さＨは0.05mmで固定とした。加熱は、到達温度９３０℃で１分保持の条件で行った。実験結果を図３のグラフに示す。

【0044】

接合全体の臨界電流Ｉ_ｃは黒丸および点線で示され、線材のみの臨界電流Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}は白丸および実線で示されている。液体窒素中（７７Ｋ）で電流量を増やしながら電圧の測定を行うことで、臨界電流を測定している。

【0045】

図３から分かるように、接合全体の臨界電流Ｉ_ｃは、Ｌ／Ｗ＝１程度までは増加している。一方、線材のみの臨界電流Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}は、Ｌ／Ｗ＝１付近から急激に低下し、Ｌ／Ｗ＝１．５程度以上において、Ｉ_ｃと同程度となる。

【0046】

接合面での臨界電流は接合面積に比例するので、Ｗを固定したときはＬを増加させるほど臨界電流Ｉ_ｃは大きくなると考えられる。しかしながら上述したように、線材のみの臨界電流Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}は、（Ｗ＝Ｗｗの条件では）接合部全体の臨界電流の上限となる。すなわち、Ｌ／Ｗ＝１．５以上では、Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}がＩ_ｃの上限となっていることが分かる。

【0047】

線材の臨界電流Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}は、加熱処理に伴う劣化によって、加熱処理前の臨界電流よりも減少している。減少の理由は、線材基板の金属材料（Ｎｉ，Ｆｅなど）の超伝導層への拡散による性能低下と高温焼成による超伝導セラミック層（ＲＥＢＣＯ層）のひび割れなどが考えられる。Ｌ／Ｗが大きいほど劣化が大きくなるのは、温度勾配が大きくなるためと考えられる（ＲＥＢＣＯ材料の熱伝導率は低い）。

【0048】

＜実験２：複数接合＞
次に、接合部が１カ所、２カ所、３カ所の場合のそれぞれについて、接合全体の臨界電流を測定した。図４にその実験結果を示す。この実験では、Ｗ＝４ｍｍ、Ｌ＝３ｍｍ（Ｌ／Ｗ＝０．７５）とし、その他の条件は実験１と同一の条件とした。接合部を複数設ける際の間隔Ｇは１０ｍｍとした。

【0049】

接合箇所が１カ所、２カ所、３カ所のそれぞれの場合で、臨界電流はＩ_ｃ１＝６．９Ａ、Ｉ_ｃ２＝１２．７Ａ、Ｉ_ｃ３＝２１．２Ａとなり、接合箇所の数に比例して臨界電流が増加することが確かめられた。

【0050】

以上のように本実施形態によれば、接合部の数を増やすことで接続体全体としての臨界電流を増加できることが分かる。ここで、バルク体の幅Ｗを線材幅Ｗｗとする場合（Ｗ＝Ｗｗ）は、加熱処理の劣化に伴う線材自体の臨界電流Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}の低下を考慮して、バルク体長さＬを決定することが必要となる。Ｌ／Ｗ≦１．５、さらに好ましくはＬ／Ｗ≦１、さらに好ましくはＬ／Ｗ≦０．７５であれば、十分に大きな臨界電流が得られる。ま
た、Ｌ／Ｗを小さくすると、同一の臨界電流を得るためには接合箇所の数を増やさなければならず、接続部全体が長くなってしまう。そこで、Ｌ／Ｗは０．１よりも大きいことが好ましく、０．２５よりも大きいことがさらに好ましい。

【0051】

また、溶融成長法は、他の手法と比較して短時間で接合が行える。したがって、本実施形態によれば、電流容量の大きな接続体を短時間で製造できる。

【0052】

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、バルク体幅Ｗを線材幅Ｗｗと同一とする場合について述べた。本実施形態では、バルク体幅Ｗを線材幅Ｗｗよりも小さくする場合（Ｗ＜Ｗｗ）について検討する。

【0053】

まず、接合箇所に流せる電流量は、接合面積に比例する。したがって、接合箇所１カ所あたりの電流量は、Ｌ／Ｗが一定であっても、Ｗの大きさによって変化する。

【0054】

一方、線材の劣化は上述した原因からも明らかなように、Ｌ／Ｗに依存する。ただし、Ｗ＜Ｗｗの場合には、図５に示すように、線材中の電流パスには、接合箇所を通る電流パスと、接合箇所以外を通る電流パスが存在する。線材のみの臨界電流Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}’は、接合面電流パスでの臨界電流Ｉ_{ｃ−ｔｈｒｏｕｇｈ}と接合面を迂回する電流パスでの臨界電流Ｉ_{ｃ−ｐａｓｓ}の合計となる（Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}’＝Ｉ_{ｃ−ｔｈｒｏｕｇｈ}＋Ｉ_{ｃ−ｐａｓｓ}）。

【0055】

なお、熱処理前の線材の臨界電流をＩ_ｃ−ｏｗとすると、Ｉ_{ｃ−ｐａｓｓ}＝Ｉ_ｃ−ｏｗ×（Ｗｗ−Ｗ）／Ｗｗと表せる。同様に、接合箇所の幅（バルク体幅Ｗ）を線材と同一としたときの線材のみの臨界電流をＩ_{ｃ−ｍａｘ}（図３参照）とすると、Ｉ_{ｃ−ｔｈｒｏｕｇｈ}＝Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}×Ｗ／Ｗｗと表せる。

【0056】

例えば、Ｗｗ＝４ｍｍ，Ｗ＝２ｍｍ，Ｌ＝１．５ｍｍ （Ｌ／Ｗ＝０．７５），Ｉ_{ｃ−
ｏｗ}＝２００Ａ，Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}＝１００Ａとする。そうすると、Ｉ_{ｃ−ｍａｘ}’は、１５０Ａ（＝１００×０．５＋２００×０．５）である。すなわち、幅Ｗを線材幅Ｗｗよりも小さくすることで、接合箇所における線材のみの臨界電流を増加させることができる。

【0057】

バルク体（接合箇所）の幅Ｗおよび長さＬが決まれば、接合箇所１カ所あたりの電流容量が求められるので、簡単な計算により、接続体全体として必要な電流容量を得るための接合箇所の数が求められる。

【0058】

本実施形態によれば、バルク体の幅Ｗを線材幅Ｗｗよりも小さくすることで、第１の実施形態よりもさらに大きな電流容量の接続体が得られる。

【0059】

［第３の実施形態］
第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して電流容量を増加できるが、接合数が増加し接続部全体の長さが長くなるというデメリットも存在する。そこで、本実施形態では、電流容量を減少させることなく、接合箇所の数を減らして、接続部の長さを短縮可能な接続方法を採用する。

【0060】

本実施形態では、バルク体の幅Ｗを、上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるようにする。なお、「徐々に大きく」は広義単調増加を意味し、隣接するバルク体同士の幅が同じであってもよい。本実施形態では、図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように電流が還流するように２つの線材が接続されている。電流供給源から遠い方の端部を遠位側端部と称すると、遠位側端部に近い側が下流であり、遠位側端部から遠い側が上流である。本実施
形態では、バルク体１３ａが最上流に位置し、バルク体１３ｄが最下流に位置する。したがって、バルク体１３ａの幅Ｗが最も小さく、バルク体１３ｄの幅Ｗが最も大きい。

【0061】

下流側ほど線材を流れる電流量は小さくなる。したがって、下流側では線材のみの臨界電流を上流側よりも小さくできるので、接合面面積を増やして、接合面での電流容量を増やすことができる。接合面電流容量を増やすことで、必要な接合数を少なくできる。

【0062】

図６は、本実施形態による接合体の一例を示す。ここでは、Ｌ／Ｗ＝１で一定としつつ、ＷおよびＬを下流側ほど大きくしている。ここでは、接合部の数を８個としている。

【0063】

複数の接合部の具体的なサイズは図６に示すものに限定されず、適宜決定すればよい。例えば、Ｌ／Ｗを一定としながら、Ｗ（およびＬ）を下流側ほど徐々に大きくしてもよい。あるいは、Ｗを一定としながら、Ｌを下流側ほど徐々に大きくしてもよい。あるいは、Ｌを一定としながら、Ｗを下流側ほど徐々に大きくしてもよい。あるいは、ＷとＬをそれぞれ下流側ほど徐々に大きし、かつ、Ｌ／Ｗが所定の範囲内となるようにしてもよい（Ｌ／Ｗの値に増減があって構わない）。すなわち、複数の接合部についてのＷとＬの少なくともいずれか一方を、上流側から下流側に向かって単調増加するように決定すればよい。なお、Ｗを徐々に大きくする場合、Ｗが線材幅Ｗｗに達した後はＷ＝Ｗｗで一定とする。

【0064】

本実施形態によれば、接合部全体での臨界電流を大きくでき、さらに、接合部全体の長さを短縮化できる。

【0065】

［その他の実施形態］
上記の実施形態では、バルク体を介して２つの線材を接続しているが、バルク体を用いずに２つの線材同士を当接して直接接続してもよい。線材同士を直接接続する方法として、溶融拡散法と固相拡散法が挙げられる。

【産業上の利用可能性】

【0066】

本発明は、高温超伝導線材の接続体における臨界電流を増加させることができる。本発明は、任意の超伝導磁石（超伝導コイル）の開発に使用するための十分に長い高温超伝導線材を製作するために用いることができ、特に、ＭＲＩやＮＭＲ装置のように永久電流モードの運転が必要な応用機器に適用できる。

【符号の説明】

【0067】

１１，１２ ＲＥＢＣＯ線材（高温超伝導線材）
１３ ＲＥＢＣＯバルク体（高温超伝導バルク体）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】