超导线材和永久电流开关

技术领域

本公开涉及一种超导线材和一种永久电流开关。本申请要求基于2019年2月8日提交的日本专利申请号2019-021621的优先权。该日本专利申请中的公开内容通过引用整体结合于本文。

背景技术

专利文献1(日本专利公开号2018-117042)公开了一种永久电流开关。专利文献1中描述的永久电流开关具有超导线材和用于加热超导线材的加热器线材。

超导线材具有基层、形成在基层上的配向层、形成在配向层上的中间层、形成在中间层上的超导层以及形成在超导层上的保护层。当加热器线材加热超导线材时，该超导线材使超导层进入正常导电状态。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开号2018-117042

发明内容

在本公开的一方面，超导线材包括基材、形成在基材上的中间层、形成在中间层上的超导层以及形成在超导层上的保护层。超导层沿着超导线材的长度方向具有第一部分、第二部分以及位于第一部分和第二部分之间的第三部分。第三部分上的保护层被至少部分地移除。

附图说明

图1是根据第一实施例的超导线材的立体图。

图2是沿着图1中示出的II-II线截取的截面。

图3是沿着图1中示出的III-III线截取的截面。

图4是沿着图1中示出的IV-IV线截取的截面。

图5是根据第一实施例的用于制造超导线材的方法的过程的流程图。

图6是在超导构件制备步骤中的超导构件的截面立体图。

图7是在切割步骤中的超导构件20的截面立体图。

图8是示出根据第一实施例的永久电流开关的构造的示意图。

图9是根据第一实施例的永久电流开关中的超导线材和加热器的分解立体图。

图10是根据第二实施例的超导线材的立体图。

图11是沿着图10中示出的XI-XI线截取的截面。

图12是沿着图10中示出的XII-XII线截取的截面。

图13是沿着图10中示出的XIII-XIII线截取的截面。

图14是根据示例性变型的第二实施例的超导线材50的立体图。

图15是根据第二实施例的用于制造超导线材的方法的过程的流程图。

图16是根据第二实施例的永久电流开关的示意图。

图17是根据第三实施例的超导线材的立体图。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

根据专利文献1，保护层形成在超导层上。即使当加热器线材利用流过其中的电流加热超导层、因此使超导层进入正常导电状态时，流过超导层的电流主要被旁通到具有很小电阻值的保护层。因此，专利文献1中描述的永久电流开关要求增加加热长度以获得高电阻率。增加加热长度要求增加加热量，这会导致制冷剂的蒸发量增加。此外，增加加热量要求增强冰箱的性能。此外，增加加热长度将导致永久电流开关本身的尺寸增加。因此，在没有增加加热长度的情况下，专利文献1中描述的永久电流开关的电阻率不可能很高，这将导致增加操作成本。

本公开鉴于常规技术的上述问题而做出。更具体而言，本公开提供了一种具有较高电阻率同时具有较短加热长度的超导线材以及一种使用该超导线材的永久电流开关。

[本公开的有利效果]

根据本公开的一个方面的超导线材可以通过加热而具有较高电阻率。

[本公开实施例的描述]

首先，将列举和描述本公开的实施例。

(1)根据实施例，超导线材包括基材、形成在基材上的中间层、形成在中间层上的超导层以及形成在超导层上的保护层。超导层沿着超导线材的长度方向具有第一部分、第二部分以及位于第一部分和第二部分之间的第三部分。第三部分上的保护层被至少部分地移除。

在上述项(1)的超导线材中，至少部分地移除第三部分上的保护层。当完全移除第三部分上的保护层时，第一部分上的保护层和第二部分上的保护层彼此分开，因此，没有旁通过第三部分的电流路径，并且当第三部分被加热并转变到正常导电状态时，电流流过具有通过正常导电而增加的电阻值的第三部分。此外，当部分移除第三部分上的保护层、第三部分被加热并因此转变到正常导电状态时，电流将被旁通到第三部分上的保护层，但是，第三部分上的保护层具有通过移除所述部分而增加的电阻。因此，以上项(1)的超导线材可以具有较高电阻率，同时具有较短的加热长度。

(2)在根据以上项(1)的超导线材中，可以完全移除第三部分上的保护层。

(3)在以上项(2)的超导线材中，在平面图中，超导层的周缘可以比中间层的周缘更靠内。

(4)在以上项(2)或(3)的超导线材中，在平面图中，保护层的周缘可以比中间层的周缘更靠内。

(5)在根据以上项(3)或(4)的超导线材中，基材可以具有第一层和第二层。第一层可以由不锈钢构成，并且第二层可以由铜构成。

当超导线材通过机械狭缝形成时，基材和保护层中的至少一个通过机械狭缝变形，并且超导层和基材可以电互连。当具有通过其中的电流的第三部分转变到正常导电状态同时超导层和基材电互连时，电流将从第三部分旁通到基材，结果，超导线材可能无法具有较高电阻率。当基材具有相对软的铜层时，这是特别令人关注的问题。

在这点上，在以上项(3)至(5)的超导线材中，在平面图中，超导层(或保护层)的周缘比中间层的周缘更靠内，并且当施用机械狭缝并且基材和保护层中的至少一个由此变形时，超导层和基材不容易电互连。因此，以上项(3)至(5)的超导线材可以更可靠地具有较高电阻率，同时具有较短的加热长度。

(6)根据实施例，一种永久电流开关，包括根据以上项(1)至(5)中任一项的超导线材以及加热器。加热器设置成面向超导层的第三部分。

[本公开实施例的详细描述]

现在将参考附图来更具体地描述本公开的实施例。在附图中，相同或等效的部件被相同地表示，并且将不再赘述。

(第一实施例)

将描述根据第一实施例的超导线材10的构造。

图1是根据第一实施例的超导线材10的立体图。如图1所示，超导线材10具有第一端10a和第二端10b。第一端10a和第二端10b是超导线材10的长度方向上的端部。第二端10b是与第一端10a相反的端部。

图2是沿着图1中示出的II-II线截取的截面。图3是沿着图1中示出的III-III线截取的截面。图4是沿着图1中示出的IV-IV线截取的截面。如图2至图4所示，超导线材10包括基材11、中间层12、超导层13、保护层14a和保护层14b。

基材11优选地具有第一层11a、第二层11b和第三层11c。第二层11b形成在第一层11a上。第三层11c形成在第二层11b上。第一层11a例如由不锈钢构成。第一层11a可以由例如

中间层12形成在基材11上(在第三层11c上)。中间层12由绝缘材料构成。中间层12由例如稳定的锆(YSZ)、氧化钇(Y2O3)、氧化铈(CeO2)等构成。用于中间层12的材料不限于这些材料。

超导层13形成在中间层12上。超导层13沿着超导线材10的长度方向具有第一部分13a、第二部分13b和第三部分13c。第一部分13a被定位成更靠近第一端10a。第二部分13b被定位成更靠近第二端10b。第三部分13c沿着超导线材10的长度方向位于第一部分13a和第二部分13b之间(换句话说，被第一部分13a和第二部分13b夹在中间)。

超导层13例如由氧化物超导体构成。这种氧化物超导体的示例是REBaCu

保护层14a形成在第一部分13a上。保护层14b形成在第二部分13b上。从另一观点来看，在第三部分13c上，保护层被完全移除(或者没有形成保护层)，并且保护层14a和保护层14b沿着超导线材10的长度方向彼此分开。保护层14a和保护层14b例如由银(Ag)构成。从另一观点来看，第三部分13c从超导线材10的表面露出。虽然未示出，但是可以在保护层14a和保护层14b上形成稳定层。稳定层由例如铜、铜合金等构成。

现在将描述根据第一实施例的用于制造超导线材10的方法。图5是根据第一实施例的用于制造超导线材10的方法的过程的流程图。如图5所示，用于制造超导线材10的方法包括超导构件制备步骤S1、切割步骤S2以及保护层移除步骤S3。

在超导构件制备步骤S1中，制备超导构件20。图6是超导构件准备步骤S1中的超导构件20的截面立体图。如图6所示，超导构件20具有基材11、中间层12、超导层13和保护层14。保护层14由例如银构成。

在切割步骤S2中，切割超导构件20。优选地通过机加工(利用机械狭缝)来完成切割。可以通过激光加工完成(利用激光分切)切割。图7是在切割步骤S2中的超导构件20的截面立体图。如图7所示，在切割步骤S2中，从超导构件20中切出多个线材。除了保护层14形成在第一部分13a、第二部分13b和第三部分13c上以外，该线材具有与超导线材10相同的结构。

在保护层移除步骤S3中，从超导构件20切出的线材具有从其上部分移除的保护层14。从超导构件20切出的线材具有部分蚀刻掉的保护层14。该蚀刻通过如下方式进行：将线材浸入蚀刻剂中，同时覆盖第一部分13a和第二部分13b上的保护层14，而未覆盖第三部分13c上的保护层14。因此，制造了具有图1至4中示出结构的超导线材10。虽然以上示出了在切割步骤S2之后执行保护层移除步骤S3的示例，但是可以在保护层移除步骤S3之后执行切割步骤S2。

现在将描述根据第一实施例的永久电流开关100的构造。图8是示出根据第一实施例的永久电流开关100的构造的示意图。如图8所示，永久电流开关100具有超导线材10和加热器30(图8中未示出，参见图9)。永久电流开关100使超导线圈40以永久电流模式操作。超导线材10和超导线圈40并联连接到电源PW。超导线材10和超导线圈40被冷却到等于或低于超导转变温度的温度。

图9是根据第一实施例的永久电流开关100中的超导线材10和加热器30的分解立体图。如图9所示，加热器30设置成面向第三部分13c。加热器30由例如镍铬合金线构成。

当切断加热器30时(即，当没有电流流过加热器30时)，超导线圈40具有线圈阻抗，因此，当来自电源PW的电流流过时，电流仅流过具有超导状态的超导线材10中的超导层13。因此，超导线圈40未被励磁(将该状态称为第一状态)。

当加热器30在第一状态下接通时(即，当使电流流过加热器30时)，超导线材10使超导层13(第三部分13c)进入正常导电状态。当在这种状态下开始流过电流时，电流也开始流过超导线圈40(将该状态称为第二状态)。然后，电流逐渐增加到操作电流，并且当达到操作电流并且随后经过了预定时间段时，电流不再流过超导线材10，而是替代地仅仅流过超导线圈40(将该状态称为第三状态)。

在达到第三状态之后，再次切断加热器30，并且超导线材10使超导层13(第三部分13c)回到超导状态。在这个状态下，当来自电源PW的电流逐渐减小时，流过超导线圈40的电流的一部分开始流过超导线材10(将该状态称为第四状态)。

在达到第四状态之后，来自电源PW的电流进一步逐渐减小到0安培，随后当经过了预定时间时，电流开始仅流过超导线材10和超导线圈40(将该状态称为第五状态)。一旦已经达到第五状态，即使当电源PW断开时(即，永久电流模式)，电流也继续流过超导线材10和超导线圈40。因此永久电流开关100可以使超导线圈40以永久电流模式操作。

在下文中，将描述第一实施例的超导线材10的效果。保护层14a形成在超导层13的第一部分13a上，并且保护层14b形成在超导层13的第二部分13b上。也就是说，在超导层13的第三部分13c上没有形成保护层(换句话说，保护层从其上移除)，并且保护层14a和保护层14b彼此分开。进一步，第三部分13c形成在中间层12上，因此也与基材11绝缘。

因此，当第三部分13c被加热因此转变到正常导电状态时，因为不存在旁通过第三部分13c的电流路径，从而电流将流过第三部分13c。当第三部分13c处于正常导电状态时，它具有增加的较大的电阻值。因此，超导线材10可以具有较高电阻率，同时具有较短的加热长度。

在超导线材10中，超导层13(第三部分13c)从保护层14a和保护层14b部分露出，并且第三部分13c可以被有效地加热。

(第二实施例)

将描述根据第二实施例的超导线材50的构造。在下文中，将主要描述与根据第一实施例的超导线材10的构造不同的构造方面的点，并且将不重复冗余的描述。

超导线材50在长度方向上具有第一端50a和与第一端50a相反的第二端50b。超导线材50包括基材11、形成在基材11上的中间层12、形成在中间层12上的超导层13以及保护层14a和保护层14b。基材11具有第一层11a、形成在第一层11a上的第二层11b以及形成在第二层11b上的第三层11c。

超导层13沿着超导线材50的长度方向具有第一部分13a、第二部分13b以及位于第一部分13a和第二部分13b之间的第三部分13c。保护层14a形成在第一部分13a上，并且保护层14b形成在第二部分13b上。也就是说，在第三部分13c上移除保护层。在这些方面，超导线材50的构造与超导线材10的构造相同。

图10是根据第二实施例的超导线材50的立体图。图11是沿着图10中示出的XI-XI线截取的截面。图12是沿着图10中示出的XII-XII线截取的截面。图13是沿着图10中示出的XIII-XIII线截取的截面。如图10至图13所示，在超导线材50中，在平面图中，超导层13的周缘比中间层12的周缘更靠内。此外，在平面图中，保护层14a和14b的相应的周缘比中间层12的周缘更靠内。本文所指的“平面图”是指在正交于超导线材50的表面的方向上的视图。

更具体地，在长度方向上的平面图中，超导层13、保护层14a和保护层14b的相应的周缘比中间层12的周缘更靠内，并且在侧向方向(即，与长度方向交叉的方向)上的平面图中，超导层13、保护层14a和保护层14b的相应的周缘比中间层12的周缘更靠内。在这些方面，超导线材50的构造不同于超导线材10的构造。

图14是根据示例性变型的第二实施例的超导线材50的立体图。如图14所示，在平面图中，只有保护层14a和保护层14b的相应的周缘可以比中间层12的周缘更靠内，而超导层13的周缘可以不比中间层12的周缘更靠内。

现在将描述根据第二实施例的用于制造超导线材50的方法。在下文中，将主要描述与根据第一实施例的用于制造超导线材10的方法不同的点，而将不重复冗余的描述。

用于制造超导线材50的方法包括超导构件制备步骤S1、切割步骤S2以及保护层移除步骤S3。在这些方面，用于制造超导线材50的方法与制造超导线材10的方法相同。

在保护层移除步骤S3的细节方面，用于制造超导线材50的方法不同于用于制造超导线材10的方法。图15是根据第二实施例的用于制造超导线材50的方法的过程的流程图。如图15所示，用于制造超导线材50的方法与用于制造超导线材10的方法的不同之处在于前者进一步包括超导层移除步骤S4。

在用于制造超导线材50的方法中，在保护层移除步骤S3处，根据图10中示出的保护层14a和14b的形状来覆盖保护层14。在这点上，用于制造超导线材50的方法中的保护层移除步骤S3不同于用于制造超导线材10的方法中的保护层移除步骤S3。

在超导层移除步骤S4中，部分地移除超导层13，使得在平面图中，超导层13的周缘比中间层12的周缘更靠内。超导层13例如通过蚀刻而被部分移除。因此，制造了具有图10至14中示出的结构的超导线材50。

现在将描述根据第二实施例的永久电流开关200的构造。在下文中，将主要描述与根据第一实施例的永久电流开关100的构造不同的构造方面的点，而将不重复冗余的描述。

图16是根据第二实施例的永久电流开关的示意图。如图16所示，除了用超导线材50来代替超导线材10以外，根据第二实施例的永久电流开关在构造上类似于根据第一实施例的永久电流开关。

在下文中，将描述第二实施例的超导线材50的效果。注意，在下文中，将主要描述与根据第一实施例的超导线材10的效果不同的点，而将不重复冗余的描述。

当用机械狭缝切割超导构件20时，基材11和保护层(保护层14a和14b)中的至少一个由此变形，并且超导层13和基材11可以电互连。当第三部分13c转变到正常导电状态、同时超导层13和基材11电互连时，第三部分13c可以被旁通，并且电流可以流向基材11。当基材11具有相对软的铜层(即，第二层11b)时，这是特别令人关注的问题。

在超导线材50中，在平面图中，超导层13和保护层(保护层14a和14b)的周缘比中间层12的周缘更靠内，并且当施用机械狭缝并且基材11和保护层中的至少一个由此变形时，超导层13和基材11不容易电互连。因此，超导线材50可以更可靠地具有较高电阻率，同时具有较短的加热长度。

(第三实施例)

现在将描述根据第三实施例的超导线材60的构造。在下文中，将主要描述与根据第一实施例的超导线材10的构造不同的构造方面的点，而将不重复冗余的描述。

超导线材60在长度方向上具有第一端60a和与第一端60a相反的第二端60b。超导线材60包括基材11、形成在基材11上的中间层12、形成在中间层12上的超导层13以及保护层14a和保护层14b。

超导层13沿着超导线材60的长度方向具有第一部分13a、第二部分13b以及位于第一部分13a和第二部分13b之间的第三部分13c。保护层14a形成在第一部分13a上，并且保护层14b形成在第二部分13b上。在这些方面，超导线材60的构造与超导线材10的构造相同。

图17是根据第三实施例的超导线材60的立体图。如图17所示，在超导线材60中，保护层部分地保留在第三部分13c上。也就是说，超导线材60进一步包括形成在第三部分13c上的保护层14c。保护层14c通过部分移除第三部分13c上的保护层而形成。保护层14c可以将保护层14a和保护层14b电互连。在平面图中，保护层14c可以具有蜿蜒的形状。在这些方面，超导线材60的构造不同于超导线材10的构造。

将描述根据第三实施例的用于制造超导线材60的方法。在下文中，将主要描述与根据第一实施例的用于制造超导线材10的方法不同的点，而将不重复冗余的描述。

用于制造超导线材60的方法与用于制造超导线材10的方法相同的方面在于它们都包括超导构件制备步骤S1、切割步骤S2以及保护层移除步骤S3。但是，在用于制造超导线材60的方法中，在保护层移除步骤S3处，部分地移除第三部分13c上的保护层14以形成保护层14c。在这点上，用于制造超导线材60的方法不同于用于制造超导线材10的方法。

在下文中，将描述第三实施例的超导线材60的效果。注意，在下文中，将主要描述与根据第一实施例的超导线材10的效果不同的点，而将不重复冗余的描述。

当超导线材60使第三部分13c被加热并因此进入正常导电状态时，电流将被旁通到保护层14c。尽管电流被旁通到保护层14c，但是保护层14c具有比保护层14a和保护层14b窄的电流路径，并且对于旁通电流的电阻值将较高。因此，超导线材60可以具有较高电阻率，同时具有较短的加热长度。

应当理解的是，本文公开的实施例仅出于说明的目的，并且在任何方面以非限制性的方式进行描述。本发明的范围由权利要求的项来限定，而不是由上述实施例来限定，并且旨在包括与权利要求的项等效的含义和范围内的任何修改。

附图标记列表

10超导线材；10a第一端；10b第二端；11基材；11a第一层；11b第二层；11c第三层；12中间层；13超导层；13a第一部分；13b第二部分；13c第三部分；14、14a、14b、14c保护层；20超导构件；30加热器；40超导线圈；50超导线材；50a第一端；50b第二端；60超导线材；60a第一端；60b第二端；100，200永久电流开关；PW电源；S1超导构件制备步骤；S2切割步骤；S3保护层移除步骤；S4超导层移除步骤。