KR102562414B1 - 초전도 선재 및 초전도 코일 - Google Patents
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Abstract
초전도 선재는 본체부와, 기판과, 피복부를 구비한다. 본체부는, 제 1 주면과, 제 1 주면과 반대측에 위치하는 제 2 주면을 가지며, 초전도 재료부를 포함한다. 기판은 본체부의 제 2 주면을 지지한다. 피복부는 적어도 본체부의 제 1 주면 상에 형성된다. 피복부에 있어서, 초전도 선재의 폭 방향에 있어서의 중앙부의 표면 거칠기는 폭 방향에 있어서의 단부의 표면 거칠기보다 작다.
Description
본 개시는 초전도 선재 및 초전도 코일에 관한 것이다.
근래, 전이 온도가 액체 질소 온도 이하의 고온 초전도체인 산화물 초전도체로 이루어지는 초전도 재료층이 마련된 산화물 초전도 선재가 주목받고 있다.
이와 같은 산화물 초전도 선재는, 일반적으로, 산화물 초전도 재료층을 포함하는 본체부를 형성하고, 또한, 본체부의 외주를 은(Ag)이나 구리(Cu)의 피복부로 덮는 것에 의해 제조되어 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 제 2013-12321 호 공보(특허문헌 1) 및 일본 특허 공개 제 2013-134856 호 공보(특허문헌 2) 참조).
본 개시의 초전도 선재는 본체부와, 기판과, 피복부를 구비한다. 본체부는, 제 1 주면과 제 1 주면과 반대측에 위치하는 제 2 주면을 가지며, 초전도 재료부를 포함한다. 기판은 본체부의 상기 제 2 주면을 지지한다. 피복부는 적어도 본체부의 제 1 주면 상에 형성된다. 피복부에 있어서, 초전도 선재의 폭 방향에 있어서의 중앙부의 표면 거칠기는 폭 방향에 있어서의 단부의 표면 거칠기보다 작다.
도 1은 본 실시형태에 따른 초전도 선재의 단면도이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 초전도 선재를 이용한 코일체를 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 실시형태에 따른 초전도 선재를 이용한 초전도 코일의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시하는 A-A 선을 따르는 단면도이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 초전도 선재의 일부인 피복부의 확대도이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 초전도 선재를 이용한 코일체를 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 실시형태에 따른 초전도 선재를 이용한 초전도 코일의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시하는 A-A 선을 따르는 단면도이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 초전도 선재의 일부인 피복부의 확대도이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
종래의 초전도 선재는, 예를 들어 코일 형상으로 권회되고, 수지로 함침 경화되어 초전도 코일을 구성한다. 초전도 코일을 임계 온도 이하로 냉각하여 사용하는 경우, 일반적으로, 초전도 선재의 열수축률에 비해, 함침된 수지의 열수축률이 크기 때문에, 이 열수축률의 차이에 기인하여, 초전도 선재에 응력이 가해지는 경우가 있다. 이 경우, 응력을 받아서 초전도 선재의 초전도 재료층이 손상되고, 결과적으로 초전도 특성이 열화되는 일이 있었다.
그래서, 초전도 특성의 열화를 억제할 수 있는 초전도 선재 및 초전도 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[본 개시의 효과]
본 개시에 의하면, 초전도 특성의 열화를 억제할 수 있는 초전도 선재 및 초전도 코일을 제공할 수 있다.
[본 발명의 실시형태의 설명]
최초로, 본 발명의 실시형태를 열기하여 설명한다.
(1) 본 발명의 일 태양에 따른 초전도 선재(10)(도 1 참조)는 본체부(7)와, 기판(2)과, 피복부(8)를 구비한다. 본체부(7)는, 제 1 주면(7a)과, 제 1 주면(7a)과 반대측에 위치하는 제 2 주면(7b)을 가지며, 초전도 재료부(4)를 포함한다. 기판(2)은 본체부(7)의 제 2 주면(7b)을 지지한다. 피복부(8)는 적어도 본체부(7)의 제 1 주면(7a) 상에 형성된다. 피복부(8)에 있어서, 초전도 선재(10)의 폭 방향에 있어서의 중앙부의 표면 거칠기는 폭 방향에 있어서의 단부의 표면 거칠기보다 작다.
초전도 선재(10)가 권회되고, 수지(16)로 함침 경화된 초전도 코일(20)(도 3 참조)에 있어서는, 피복부(8)와 수지(16)의 접착성은 피복부(8)의 표면 거칠기에 의존한다. 상기와 같이, 피복부(8)에 있어서, 폭 방향에 있어서의 중앙부의 표면 거칠기를, 폭 방향에 있어서의 단부의 표면 거칠기보다 작게 하는 것에 의해, 중앙부에 있어서의 피복부(8)와 수지(16)의 접착성은 단부에 있어서의 피복부(8)와 수지(16)의 접착성에 비해 낮아진다.
이와 같이 하면, 초전도 코일(20)을 냉각했을 때에, 초전도 선재(10)와 수지(16)의 열수축률의 차이에 기인하여, 초전도 선재(10)의 두께 방향으로 응력이 작용한 경우, 중앙부에서는 피복부(8)와 수지(16)의 계면에 박리가 생기는 것에 의해 응력이 개방된다. 따라서, 초전도 선재(10)에 가해지는 응력을 경감할 수 있다. 그 결과, 초전도 선재(10)의 초전도 재료층(4)의 손상을 방지할 수 있기 때문에, 초전도 특성의 열화를 억제할 수 있다.
초전도 코일(20)을 냉동기를 이용하여 냉각하는 초전도 기기에 있어서는, 코일 축 방향의 양단부에 각각 냉각판을 배치하고, 이 한쌍의 냉각판을 냉각하는 것에 의해, 초전도 코일을 냉각하도록 구성된 것이 있다. 해당 초전도 기기에서는, 초전도 선재(10)의 폭 방향의 단부로부터 수지(16)를 경유하여 냉각판에 열이 전달되는 전열 경로가 형성된다. 상기 초전도 선재(10)에 의하면, 폭 방향의 단부에서는, 수지(16)의 열수축에 의해 초전도 선재(10)에 응력이 작용하여도 피복부(8)와 수지(16)의 계면의 박리가 억제된다. 그 때문에, 초전도 선재(10)와 수지(16) 사이의 열전도도의 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 초전도 코일(20)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
(2) 상기 초전도 선재(10)에 있어서는, 피복부(8)의 중앙부의 표면 거칠기는 0.8㎛ 이하라도 좋다. 피복부(8)의 단부의 표면 거칠기는 0.8㎛보다 크고, 또한 1.2㎛ 이하라도 좋다.
이 경우, 냉각에 따른 수지(16)의 수축에 의해 초전도 선재(10)의 두께 방향으로 응력이 작용했을 때, 피복부(8)의 중앙부에서는, 피복부(8)와 수지(16)의 계면에 박리가 생기기 쉬워지고, 이 계면에서의 박리에 의해 초전도 선재(10)에 가해지는 응력을 개방할 수 있다. 한편, 피복부(8)의 단부에서는, 피복부(8)와 수지(16)의 계면의 박리가 억제되기 때문에, 초전도 선재(10)와 수지(16) 사이의 열전도도의 저하를 억제할 수 있다.
(3) 상기 초전도 선재(10)에서는, 피복부(8)는 본체부(7) 및 기판(2)의 주위를 덮는 금속층으로서 형성되어도 좋다.
이와 같이 하면, 본체부(7)의 제 1 주면(7a) 상에 위치하는 금속층은, 폭 방향의 중앙부의 표면 거칠기가 폭 방향의 단부의 표면 거칠기보다 작게 되어 있으며, 그 때문에, 초전도 코일(20)의 사용시에 초전도 선재(10)의 중앙부에 가해지는 응력이 개방되어, 초전도 재료층(4)의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 초전도 코일(20)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
(4) 본 발명의 일 태양에 따른 초전도 코일(20)(도 3 참조)은 상기 초전도 선재(10)를 권회한 코일체(12)와, 코일체(12)에 함침되는 수지(16)를 구비한다.
이와 같이 하면, 초전도 선재(10)의 임계 온도 이하로 냉각되어 사용되는 경우에, 열수축에 기인하는 응력에 의해 초전도 특성이 열화가 일어나기 어려우며, 또한 냉각 효율이 양호한 초전도 코일(20)을 실현할 수 있다.
[본 발명의 실시형태의 상세]
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면에 근거하여 설명한다. 또한, 이하의 도면에 있어서, 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 설명은 반복하지 않는다.
최초로, 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 따른 초전도 선재(10)에 대해 설명한다.
도 1은, 초전도 선재(10)가 연장되는 방향(길이 방향)에 교차하는 방향으로 절단한, 본 실시형태에 따른 초전도 선재(10)의 단면을 도시한다. 초전도 선재(10)에 있어서 초전도 전류는 초전도 선재(10)의 길이 방향을 따라서 흐른다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 초전도 선재(10)의 폭 방향을 x축 방향으로 하고, 길이 방향을 y축 방향으로 하고, 두께 방향을 z축 방향으로 한다.
본 실시형태에 따른 초전도 선재(10)는, 길이 방향의 길이가 두께 및 폭에 비해 크고, 또한 두께에 비해 폭이 큰 테이프 형상을 갖고 있어도 좋다. 본 명세서에서는, 초전도 선재(10)의 폭 방향 및 길이 방향으로 연장되는 표면(xy 평면)을 주면(主面)이라 부른다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 초전도 선재(10)는 주로 본체부(7)와, 기판(2)과, 피복부(8)를 구비한다. 본체부(7)는 제 1 주면(7a)과, 제 1 주면(7a)과는 반대측의 제 2 주면(7b)을 갖는다. 기판(2)은 본체부(7)의 제 2 주면(7b)을 지지한다. 피복부(8)는 적어도 본체부(7)의 제 1 주면(7a) 상에 형성된다.
기판(2)은, 예를 들어 금속으로 이루어지며, 단면이 직사각형을 이루는 테이프 형상을 갖고 있어도 좋다. 코일 형상으로 권회하기 위해서는, 기판(2)은 예를 들어 1㎞ 정도로 장척화(長尺化)되어 있는 것이 바람직하다. 기판(2)의 두께는 목적에 따라서 적절히 조정하면 좋으며, 통상은 50㎛ 내지 200㎛의 범위로 할 수 있다.
기판(2)은 배향 금속 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 배향 금속 기판이란, 기판 표면의 면내의 2축 방향(x축 방향 및 y축 방향)에 관하여 결정 방위가 정렬되어 있는 기판을 의미한다. 배향 금속 기판으로서는, 예를 들어 Ni(니켈), 구리(Cu), 크롬(Cr), 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 및 금(Au) 중 2개 이상의 금속으로 이루어지는 합금이 바람직하게 이용된다. 배향 금속 기판은, 예를 들어 다른 금속 또는 합금 표면에 배향 금속막을 서로 부착하는 것에 의해 형성되어도 좋다. 합금으로서는, 예를 들어 고강도 재료인 SUS를 이용할 수 있다. 배향 금속막을 구성하는 재료로서는, NiW(니켈 텅스텐)이나 구리(Cu)를 예시할 수 있다. 또한, 기판(2)의 재료는 특별히 이에 한정되지 않는다. 또한, 기판(2)으로서, SUS 기판 또는 하스텔로이 기판 등, 표면이 배향 결정화되어 있지 않은 무배향 기판이 이용되는 경우에는, 중간층(3)으로서, 예를 들어 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)법으로 형성된 결정 배향층을 이용하여도 좋다.
본체부(7)는 중간층(3)과, 초전도 재료층(4)과, 보호층(5)을 포함하여도 좋다. 본체부(7)는 적어도 초전도 재료층(4)을 포함하고 있으면 좋다.
중간층(3)은 기판(2)의 주면 상에 형성되어도 좋다. 중간층(3)은, 초전도 재료층(4)의 반응성이 극히 낮고, 초전도 재료층(4)의 초전도 특성을 저하시키지 않도록 하는 재료를 이용할 수 있다. 중간층(3)은, 고온 프로세스를 이용하여 초전도 재료층(4)을 형성할 때에, 기판(2)으로부터 초전도 재료층(4)으로 금속 원자가 유출되는 것을 방지하는 재료를 이용할 수 있다. 중간층(3)은, 바람직하게는, 예를 들어 YSZ(이트륨 안정화 지르코니아), CeO2(산화세륨), MgO(산화마그네슘), Y2O3(산화이트륨), Al2O3(산화알루미늄), LaMnO3(산화란탄망간) 및 SrTiO3(티탄산스트론튬) 중 적어도 1개로 구성된다.
중간층(3)은 복수의 층에 의해 구성되어 있어도 좋다. 중간층(3)이 복수의 층에 의해 구성되는 경우, 중간층(3)을 구성하는 각각의 층은 서로 상이한 재료 또는 일부가 동일한 재료에 의해 구성되어도 좋다.
초전도 재료층(4)은, 중간층(3)의, 기판(2)에 대향하는 주면과 반대측의 주면(도 1에 있어서의 상측의 주면) 상에 형성되어도 좋다. 초전도 재료층(4)은, 초전도 선재(10) 중, 초전도 전류가 흐르는 부분이다. 초전도 재료층(4)은 본 실시형태에 있어서의 「초전도 재료부」에 상당한다. 본 실시형태에서는, 초전도 재료부인 초전도 재료층(4)은 초전도 재료로 실질적으로 구성되는 박막층이다.
초전도 재료층(4)에 이용할 수 있는 초전도 재료는 특별히 한정되지 않는다. 초전도 재료로서, RE-123계의 산화물 초전도체를 이용하여도 좋다. RE-123계의 산화물 초전도체란, REBa2Cu3Oy(y는 6 내지 8, 보다 바람직하게는 6.8 내지 7, RE는 이트륨, 또는 Gd, Sm, Ho 등의 희토류 원소임)로서 표현되는 초전도체를 의미한다.
임계 전류 Ic를 향상시키기 위해서, 초전도 재료층(4)의 두께는 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하다. 초전도 재료층(4)의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 생산성을 고려하면 10㎛ 이하가 바람직하다.
보호층(5)은, 초전도 재료층(4)의, 중간층(3)에 대향하는 주면과는 반대측의 주면(도 1에 있어서의 상측의 주면) 상에 형성되어도 좋다. 보호층(5)은 초전도 재료층(4)을 보호하는 기능을 갖는다. 보호층(5)은, 예를 들어 은(Ag) 또는 은 합금으로 이루어진다. 보호층(5)의 두께는, 바람직하게는 2㎛ 이하이며, 보다 바람직하게는 0.05㎛ 이상 2㎛ 이하이다.
피복부(8)는 적어도 본체부(7)의 제 1 주면(7a)을 덮고 있으면 좋다. 본 실시형태에서는, 본체부(7) 및 기판(2)의 전체 둘레를 덮도록 피복부(8)가 마련되어 있다.
피복부(8)는 양도전성(良導電性)의 금속 재료의 박 또는 도금층 등의 금속층으로 구성된다. 피복부(8)는, 보호층(5)과 함께, 초전도 재료층(4)이 초전도 상태로부터 상전도(常電導) 상태로 천이될 때에 초전도 재료층(4)의 전류가 전류(轉流)되는 바이패스로서 기능한다. 피복부(8)는 또한 외력이나 수분 등으로부터 본체부(7)를 보호하는 기능을 갖는다. 피복부(8)가 보호층(5) 및 초전도 재료층(4)을 물리적으로 보호하기 위해서, 피복부(8)는 10㎛ 이상 500㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
피복부(8)를 구성하는 재료는, 얇은 박으로 성형할 수 있는 것, 또는 도금 형성할 수 있는 것이면 좋으며, 특별히 한정되지 않지만, 구리(Cu), NiCr(Ni-Cr 합금), 스테인리스, Cu-Ni 합금 등의 구리 합금이 바람직하다. 또한, 초전도 선재(10)를 초전도 한류기(限流器)에 사용하는 경우, 피복부(8)는 고저항의 금속 재료인 것이 바람직하며, 예를 들어 NiCr 등의 Ni계 합금인 것이 바람직하다.
다음에, 본 실시형태에 따른 초전도 선재(10)의 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, 기판(2)을 준비하는 공정이 실시된다. 구체적으로는, 바람직하게는 배향 금속 기판으로 이루어지는 기판(2)이 준비된다.
다음에, 기판(2) 상에 중간층(3)을 형성하는 공정이 실시된다. 구체적으로는, 기판(2)의 주면 상에 중간층(3)이 형성된다. 중간층(3)의 형성 방법으로서는, 예를 들어 스퍼터법 등의 물리 증착법을 이용할 수 있다. 기판(2)의 표면이 배향 결정화되어 있지 않은 경우에는, IBAD법에 의해, 배향된 중간층(3)이 형성되어도 좋다.
다음에, 중간층(3) 상에 초전도 재료층(4)을 형성하는 공정이 실시된다. 본 실시형태에서는, 중간층(3)의 기판(2)과 대향하는 주면과 반대측의 주면(도 1에 있어서의 중간층(3)의 상측의 주면) 상에 RE-123계의 산화물 초전도체를 포함하는 초전도 재료층(4)을 형성한다. 예를 들면, 기상 퇴적법 및 액상 퇴적법, 또는 그들 조합에 의해, 박막층인 초전도 재료층(4)을 형성하여도 좋다. 기상 퇴적법으로서는, 펄스 레이저 증착법(PLD법), 스퍼터링법, 전자 비임 증착법, 유기 금속 화학 체적 기상 퇴적(MOCVD)법이나 분자선 에피택시(MBE; molecular beam epitaxy)법을 예시할 수 있다. 이들 퇴적법 중 적어도 1개에 의해 초전도 재료층(4)을 성막하면, 결정 배향성 및 표면 평활성이 우수한 표면을 갖는 초전도 재료층(4)을 형성할 수 있다.
다음에, 초전도 재료층(4) 상에 보호층(5)을 형성하는 공정이 실시된다. 구체적으로는, 초전도 재료층(4)의 중간층(3)과 대향하는 주면과 반대측의 주면(도 1에 있어서의 초전도 재료층(4)의 상측의 주면) 상에, 은(Ag) 또는 은 합금으로 이루어지는 보호층(5)을 형성한다. 보호층(5)은, 예를 들어 스퍼터 등의 물리적 증착법에 의해 형성하여도 좋다.
다음에, 본체부(7)를 산소 분위기하에서 어닐링하는 공정이 실시된다. 이 어닐링 공정에 의해, 초전도 재료층(4)에 산소가 도입된다. 이상의 공정이 실시되는 것에 의해, 기판(2) 상에, 중간층(3)과 초전도 재료층(4)과 보호층(5)을 포함하는 본체부(7)가 형성된다.
마지막으로, 본체부(7) 및 기판(2)을 덮도록 피복부(8)를 형성하는 공정이 실시된다. 피복부(8)는 적어도 본체부(7)의 제 1 주면(7a)을 덮고 있으면 좋다. 본 실시형태에서는, 본체부(7) 및 기판(2)의 전체 둘레를 덮도록, 피복부(8)가 마련된다. 예를 들면, 도금법, 또는 박을 서로 부착하는 방법에 의해, 피복부(8)를 본체부(7) 및 기판(2) 상에 형성하여도 좋다.
또한, 선재의 폭을 조정하기 위해서, 보호층(5)을 형성하는 공정과 피복부(8)를 형성하는 공정 사이에, 본체부(7) 및 기판(2)을 세선(細線)으로 가공하는 공정을 실행하여도 좋다. 본체부(7) 및 기판(2)을 세선으로 가공하는 공정에서는, 본체부(7) 및 기판(2)에, 예를 들어 기계 슬릿 가공 또는 레이저 슬릿 가공을 실시하는 것에 의해, 본체부(7) 및 기판(2)을 소정의 폭으로 세선화한다. 예를 들면, 30㎜ 폭의 본체부(7) 및 기판(2)을 4mm 폭의 세선으로 가공하여, 1개의 본체부(7) 및 기판(2)으로부터 7개의 세선화된 본체부(7) 및 기판(2)을 얻을 수 있다.
혹은, 기판(2)을 준비하는 공정에 있어서, 기판(2)을 세선으로 가공하는 공정을 실행하여도 좋다. 예를 들면, 30㎜ 폭의 기판(2)을 4mm 폭의 세선으로 가공한다. 세선으로 가공된 기판(2) 상에 중간층(3), 초전도 재료층(4), 보호층(5)을 순서대로 형성하는 것에 의해, 세선화된 본체부(7)를 얻을 수 있다.
이상의 공정이 실시되는 것에 의해, 도 1에 도시하는 초전도 선재(10)가 제조된다.
다음에, 본 실시형태에 따른 초전도 선재(10)를 이용한 초전도 코일(20)의 일 예에 대해, 도 2 및 도 3을 기초로 설명한다.
도 2는 실시형태에 따른 초전도 선재(10)를 이용한 코일체(12)를 도시하는 사시도이다. 초전도 선재(10)는, 일반적으로, 권취 프레임(14)에 대해 싱글 팬케이크(single pancake) 형상 혹은 더블 팬케이크(double pancake) 형상으로 권회되어 코일 형상이 된다. 도 2에는, 더블 팬케이크 코일(18)이 예시되어 있다. 더블 팬케이크 코일(18)은 서로 적층된 2개의 코일체(12)를 포함한다.
더블 팬케이크 코일(18)에 있어서, 한쪽 코일체(12)에 있어서의 초전도 선재(10)의 권회 방향과 다른쪽 코일체(12)에 있어서의 권회 방향은 서로 반대이다. 2개의 코일체(12)의 초전도 선재(10)의 내주측에 위치하는 단부끼리는 도시하지 않은 접속부를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 이에 의해, 한쪽 코일체(12)의 외주측에 위치하는 단부와, 다른쪽 코일체(12)의 외주측에 위치하는 단부 사이에서, 2개의 코일체(12)는 서로 직렬로 접속되어 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 코일체(12)는, 초전도 선재(10)의 본체부(7)가 형성된 측을 내측으로 하고, 기판(2)측을 외측으로 하여 권회되어 있다.
도 2에 도시한 더블 팬케이크 코일(18) 전체를 수지(16)로 덮는 것에 의해 초전도 코일(20)이 형성된다. 도 3은 도 2에 도시하는 더블 팬케이크 코일(18)을 수지(16)로 덮어 구성된 초전도 코일(20)의 사시도이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 더블 팬케이크 코일(18)을 수지(16)로 함침 경화시키는 것에 의해, 더블 팬케이크 코일(18) 전체가 수지(16)에 의해 일체적으로 덮인다. 이에 의해, 전자력에 대해서도 초전도 선재(10)끼리의 상대 위치 관계를 유지할 수 있어, 안정된 자계를 형성할 수 있다.
수지(16)로서는, 예를 들어 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 등의 열경화성 수지 등을 이용할 수 있다. 예를 들어 진공 함침법을 이용하는 것에 의해, 더블 팬케이크 코일(18)의 모든 곳에 수지(16)를 침투시킬 수 있다. 이에 의해, 더블 팬케이크 코일(18)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 도 3에 도시하는 A-A 선을 따르는 단면도이다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 초전도 선재(10)를 덮도록 수지(16)가 함침되는 것에 의해, 초전도 선재(10) 사이에도 수지(16)가 충전되어 있다.
초전도 코일(20)을 냉동기를 이용하여 냉각하는 초전도 기기에 있어서는, 초전도 코일(20)의 코일 축 방향의 양단부에, 각각 냉각판(도시하지 않음)이 배치된다. 그리고, 이들 냉각판을 냉각하는 것에 의해, 초전도 코일(20)을 냉각하도록 구성되어 있다. 이와 같은 초전도 기기에서는, 초전도 선재(10)와 냉각판 사이에는, 주로 초전도 선재(10)의 폭 방향의 단부로부터 수지(16)를 경유하여 냉각판에 열이 전달되는 전열 경로가 형성된다.
이하, 본 실시형태의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
본 실시형태에 따른 초전도 선재(10)는, 본체부(7)의 제 1 주면(7a) 상에 위치하는 피복부(8)에 있어서, 폭 방향(x축 방향)에 있어서의 중앙부의 표면 거칠기가 폭 방향에 있어서의 단부의 표면 거칠기보다 작게 되어 있다.
도 5는 본 실시형태에 따른 초전도 선재(10)의 일부인 피복부(8)의 확대도이다. 도 5에는, 본체부(7)의 제 1 주면(7a) 상에 위치하는 피복부(8)가 부분적으로 도시되어 있다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 피복부(8)에 있어서, 단부(10a)는 폭 방향(x축 방향)의 한쪽 단부에 위치하며, 단부(10b)는 폭 방향의 다른쪽 단부에 위치한다. 또한, 피복부(8)에 있어서, 중앙부(10c)는 폭 방향의 중앙선을 포함하도록 위치한다.
초전도 선재(10)의 폭을 W로 하고, 단부(10a, 10b)의 폭을 W1로 하고, 중앙부(10c)의 폭을 W2 하면, 폭(W)에 대한 폭(W1)의 비율(W1/W)은 바람직하게는 10% 이상 30% 이하이다. 또한, 폭(W)에 대한 폭(W2)의 비율은 바람직하게는 40% 이상 80% 이하이다.
단부(10a, 10b) 및 중앙부(10c) 각각의 표면 거칠기는 피복부(8)의 주면의 표면 형상을 측정하는 것에 의해 구할 수 있다. 본 실시형태에서는, 표면 형상의 측정은 촉침 표면 형상 계측기(장치명: DEKTAK 3030, Bruker Nano제)를 이용하여 실행했다.
표면 형상의 측정에서는, 단부(10a, 10b) 및 중앙부(10c) 각각에 상당하는 피복부(8)의 표면을, 상기 촉침 형상 계측기를 이용하여, 500㎛의 범위 내에서 폭 방향으로 위로 지나갔다. 이 측정으로 얻어진 곡선은 피복부(8)의 표면의 단면 곡선을 나타낸다. 그리고, 얻어진 단면 곡선으로부터 기준 길이(예를 들면, 50㎛)만을 추출하고, 이 추출 부분에서의 최대 골 깊이와 최대 산 높이의 합(최대 높이)을 계측했다.
실시예 1 내지 4에 따른 초전도 선재(10) 각각에 대해, 표면 거칠기를 계측한 결과를 표 1에 나타낸다. 실시예 1 내지 4에 따른 초전도 선재(10)는 모두, 상술한 제조 방법에 의해 제조된 것이며, 도 1에 도시한 초전도 선재 구조를 갖고 있다. 또한, 단부의 표면 거칠기에 대해서는, 단부(10a)의 표면 거칠기의 계측값과 단부(10b)의 표면 거칠기의 계측값을 평균을 낸 값으로 했다.
| 중앙부 | 단부 | |
| 실시예 1 | 0.6㎛ | 0.8㎛ |
| 실시예 2 | 0.6㎛ | 0.9㎛ |
| 실시예 3 | 0.8㎛ | 0.8㎛ |
| 실시예 4 | 0.8㎛ | 1.2㎛ |
표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1, 2, 4의 각각에 있어서, 중앙부의 표면 거칠기는 단부의 표면 거칠기보다 작게 되어 있다. 실시예 3에서는, 중앙부의 표면 거칠기와 단부의 표면 거칠기가 동일하게 되어 있다.본 실시형태에 따른 초전도 선재(10)에 있어서, 피복부(8)의 중앙부(10c)의 표면 거칠기는, 바람직하게는 0.8㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.6㎛ 이하로 할 수 있다. 또한, 피복부(8)의 단부(10a, 10b)의 표면 거칠기는, 바람직하게는 0.8㎛보다 크고, 또한 1.2㎛ 이하로 할 수 있다.
또한, 피복부(8)에 있어서, 중앙부(10c)의 표면 거칠기를 단부(10a, 10b)의 표면 거칠기보다 작게 하는 것은, 예를 들어 피복부(8)가 도금층인 경우, 피복부(8)를 형성하는 공정에 있어서, 도금액 중에 포함되는 첨가제에 의해 피복부(8)의 주면의 표면 형상을 제어하는 것에 의해 실현할 수 있다. 피복부(8)가 금속박인 경우에는, 금속박에 의해 피복부(8)를 형성하는 공정에 있어서, 금속박을 표면 가공하는 것에 의해 실현될 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 초전도 선재(10)를 이용하여 제작된 초전도 코일(20)(도 3 참조)에 있어서, 초전도 특성의 열화를 억제할 수 있다. 이하, 이 이유에 대해 설명한다.
초전도 코일을 임계 온도 이하로 냉각하여 사용하는 경우, 일반적으로, 초전도 선재의 열수축률에 비해, 함침된 수지의 열수축률이 크기 때문에, 이 열수축률의 차이에 기인하여, 초전도 선재에 응력이 가해지는 경우가 있다. 이 응력은 오로지 초전도 선재의 두께 방향으로 작용한다. 즉, 초전도 선재의 주면에 대하여 응력이 가해지게 된다. 그 때문에, 초전도 선재에서는, 응력을 받아 초전도 재료층에 있어서 국소적인 파손이나 변형이 생기기 쉬워진다. 그 결과, 초전도 코일의 초전도 특성이 열화될 가능성이 있다.
본 실시형태에 따른 초전도 코일(20)에서는, 초전도 선재(10)와 수지(16)의 열수축률의 차이에 기인하는 응력은, 주로 초전도 선재(10)의 최외주의 피복부(8)에 가해지게 된다.
여기에서, 초전도 코일(20)에 있어서, 피복부(8)와 수지(16)의 접착성은 피복부(8)의 표면 거칠기에 의존한다. 상세하게는, 피복부(8)의 표면이 거칠어질수록, 수지(16)가 피복부(8)의 표면에 형성된 미소한 요철에 파고들기 쉬워지기 때문에, 접착성이 높아진다.
상기와 같이, 본체부(7)의 제 1 주면(7a) 상에 위치하는 피복부(8)에 있어서, 폭 방향에 있어서의 중앙부(10c)의 표면 거칠기는 폭 방향에 있어서의 단부(10a, 10b)의 표면 거칠기보다 작게 되어 있다. 따라서, 중앙부(10c)에 있어서의 피복부(8)와 수지(16)의 접착성은 단부(10a, 10b)에 있어서의 피복부(8)와 수지(16)의 접착성에 비해 낮게 되어 있다.
이에 의해, 냉각에 따른 수지(16)의 수축에 의해 초전도 선재(10)의 두께 방향으로 응력이 작용했을 때, 중앙부(10c)에서는, 피복부(8)와 수지(16)의 계면에 박리가 생기기 쉬워진다. 이 계면에서의 박리에 의해 초전도 선재(10)에 가해지는 응력이 개방되게 되고, 결과적으로 초전도 선재(10)에 작용하는 응력을 경감할 수 있다. 따라서, 초전도 재료층(4)의 파손 및 변형이 억제되기 때문에, 초전도 특성의 열화를 억제할 수 있다.
한편, 피복부(8)와 수지(16)의 계면에 박리가 생기면, 해당 계면에서 간극이 생기기 때문에, 초전도 선재(10)와 수지(16) 사이의 열전도도가 저하할 가능성이 있다. 그 결과, 상술한, 초전도 코일(20)을 냉동기를 이용하여 냉각하도록 구성된 초전도 기기에서는, 초전도 선재(10)로부터 수지(16)를 경유하여 냉각판으로의 열전도성이 저하하고, 결과적으로 초전도 코일(20)의 냉각 효율이 저하할 가능성이 있다.
본 실시형태에 따른 초전도 선재(10)에서는, 단부(10a, 10b)에 있어서 피복부(8)와 수지(16)의 접착성이 높게 되어 있다. 그 때문에, 수지(16)의 열수축에 의해 응력이 작용하려고 해도, 단부(10a, 10b)에서는 피복부(8)와 수지(16)의 계면의 박리가 억제될 수 있다. 따라서, 초전도 선재(10)와 수지(16)의 접착이 유지되기 때문에, 열전도도의 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 초전도 코일(20)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
여기에서, 단부(10a, 10b)의 표면 거칠기가 커질수록, 피복부(8)와 수지(16의 접착성이 높아지는 경향이 있다. 단, 단부(10a, 10b)의 표면 거칠기가 커지면, 초전도 코일(20)의 사용시에 있어서, 단부(10a, 10b) 근방에 전계가 집중되기 쉬워진다. 이에 의해, 초전도 코일(20)에 과전압이 생기면, 코일체(12)의 권선 턴 사이에서 절연 파괴가 생길 가능성이 있다. 초전도 코일(20)의 절연 강도를 확보하기 위해서는, 단부(10a, 10b)의 표면 거칠기는 1.2㎛ 이하인 것이 바람직하다.
금회 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아닌 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아닌 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
2 : 기판 3 : 중간층
4 : 초전도 재료층 5 :보호층
7 : 본체부 7a : 제 1 주면
7b : 제 2 주면 8 : 피복부
10 : 초전도 선재 10a, 10b : 단부
10c : 중앙부 12 : 코일체
16 : 수지 18 : 더블 팬케이크 코일
20 : 초전도 코일
4 : 초전도 재료층 5 :보호층
7 : 본체부 7a : 제 1 주면
7b : 제 2 주면 8 : 피복부
10 : 초전도 선재 10a, 10b : 단부
10c : 중앙부 12 : 코일체
16 : 수지 18 : 더블 팬케이크 코일
20 : 초전도 코일
Claims (5)
- 초전도 선재에 있어서,
제 1 주면과, 상기 제 1 주면과 반대측에 위치하는 제 2 주면을 가지며, 초전도 재료부를 포함하는 본체부와,
상기 본체부의 상기 제 2 주면을 지지하는 기판과,
적어도 상기 본체부의 상기 제 1 주면 상에 형성된 피복부를 구비하고,
상기 피복부에 있어서, 상기 초전도 선재의 폭 방향에 있어서의 중앙부의 표면 거칠기는 상기 폭 방향에 있어서의 단부의 표면 거칠기보다 작은
초전도 선재. - 청구항 1에 있어서,
상기 피복부의 상기 중앙부의 표면 거칠기는 0.8㎛ 이하이며,
상기 피복부의 상기 단부의 표면 거칠기는 0.8㎛보다 크고, 또한 1.2㎛ 이하인
초전도 선재. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 피복부는 상기 본체부 및 상기 기판의 주위를 덮는 금속층으로서 형성되는
초전도 선재. - 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 상기 초전도 선재를 권회한 코일체와,
상기 코일체에 함침되는 수지를 구비하는
초전도 코일. - 청구항 3에 기재된 상기 초전도 선재를 권회한 코일체와,
상기 코일체에 함침되는 수지를 구비하는
초전도 코일.
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