ES2893206T3 - Hilos laminados superconductores a alta temperatura que tienen densidades de corriente de ingeniería aumentadas - Google Patents

Hilos laminados superconductores a alta temperatura que tienen densidades de corriente de ingeniería aumentadas Download PDF

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Abstract

Un conjunto (100,190) de hilo superconductor laminado, que comprende: - una primera capa superconductora (75a, 170) a alta temperatura que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie; - una primera capa superior (104a, 194) eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la primera superficie de la primera capa superconductora a alta temperatura; - una segunda capa superior (72a, 160) eléctricamente conductora superpuesta a y en contacto físico directo con la segunda superficie de la primera capa superconductora (75a, 170) a alta temperatura; - una primera capa (96a, 186) de laminación superpuesta y fijada a la primera capa superior (104a, 194) eléctricamente conductora; - una capa estabilizadora (70, 158), que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie, estando la primera superficie de la capa estabilizadora superpuesta y fijada a la segunda capa superior (72a, 160) eléctricamente conductora; y - una segunda capa (96b, 188) de laminación; - en donde se incluye un primer filete (108a, 202) dispuesto a lo largo de un primer borde del conjunto (100, 190) de hilo superconductor laminado y conectado a la primera capa (96a, 186) de laminación y a la segunda capa (96b, 188) de laminación y un segundo filete (108b, 204) dispuesto a lo largo de un segundo borde del conjunto (100, 190) de hilo superconductor laminado y conectado a la primera capa (96a, 188) de laminación y la segunda capa (96b, 188) de laminación; y - comprendiendo además el conjunto (190) de hilo superconductor laminado : - la segunda capa (188) de laminación superpuesta y fijada a la segunda superficie de la capa estabilizadora (158), o - comprendiendo además el conjunto (100) de hilo superconductor laminado: - una segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie; - una tercera capa superior (72b) eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la primera superficie de la segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura; - una cuarta capa superior (104b) eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la segunda superficie de la segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura; - estando la segunda capa de laminación (96b) superpuesta y fija a la cuarta capa superior (104b) eléctricamente conductora; y - en donde la segunda superficie de la capa estabilizadora (70) está superpuesta y fija a la tercera capa superior (72b) eléctricamente conductora.

Description

DESCRIPCIÓN
Hilos laminados superconductores a alta temperatura que tienen densidades de corriente de ingeniería aumentadas Campo de la invención
La presente invención se refiere, de forma general, a hilos superconductores a alta temperatura (HTS) de longitud larga y, más especialmente a hilos HTS que tienen densidades de corriente de ingeniería aumentadas.
Antecedentes
Desde el descubrimiento de los materiales HTS (es decir, materiales que pueden conservar sus propiedades superconductoras por encima de la temperatura del nitrógeno líquido de 77 °K) se ha trabajado para desarrollar diversas aplicaciones de ingeniería que utilicen tales materiales HTS. En hilos y dispositivos superconductores de película fina, la mayor parte del progreso se ha obtenido con la fabricación de dispositivos que utilizan un superconductor de óxido que incluye itrio, bario, cobre y oxígeno en la bien conocida composición básica de YBa2CuO7-y (denominada a continuación en la memoria Y123 o YBCO), que sigue siendo el material preferido para muchas aplicaciones, incluidos cables, motores, generadores, condensadores síncronos, transformadores, limitadores de corriente y sistemas de imanes para uso médico, militar, de transporte, de procesamiento de materiales y de física de alta energía.
Se ha fabricado hilo HTS basado en estos materiales de YBCO, comúnmente conocido como hilo de conductor recubierto o de segunda generación (2G), en longitudes continuas de cientos de metros o más con densidades de corriente críticas, Jc, de 3 MA/cm2 o más a 77 °K y campo inducido utilizando líneas de producción rodillo a rodillo. Se han obtenido densidades de corriente de ingeniería (Je), que tienen en cuenta el espesor del sustrato y del material estabilizador, habiéndose logrado más de 8 KA/cm2 en grandes longitudes.
Para seguir fabricando hilo HTS más deseable para diversas aplicaciones de potencia, es muy importante aumentar la densidad de corriente de ingeniería. Dado que la arquitectura de los hilos de 2G, que tienen un sustrato con una o más capas intermedias encima de las cuales está dispuesta la capa HTS, se estableció hace mucho y es necesaria para un hilo de 2G de alto rendimiento, se ha buscado aumentar la Jc para, a su vez, aumentar la Je. Por consiguiente, los aumentos de Je han sido algo modestos, ya que el área total en sección transversal del hilo HTS de 2G ha permanecido estable debido al espesor de las capas de sustrato y de estabilizador.
Además, determinados sustratos empleados en hilos HTS, tales como el níquel tungsteno (Ni5W), tienen propiedades magnéticas y han dado lugar a un rendimiento eléctrico subóptimo en aplicaciones de CA. Los esfuerzos se han centrado en reducir las propiedades magnéticas en tales sustratos utilizando menos material magnético (p. ej. Ni9W), pero las dificultades en mantener un rendimiento eléctrico general comparable siguen persistiendo Los hilos HTS laminados que utilizan una cinta 2G de sustrato exfoliado se conocen de US-2015/248952 A1 y Solovyov V y col., Supercond. Sci. Technol. 30 (2017) 014006.
Sin embargo, sigue habiendo necesidad de hilos HTS alternativos con mayor densidad de corriente de ingeniería y un mejor rendimiento eléctrico en aplicaciones de corriente alterna.
Resumen
Un objeto de la invención es producir un hilo HTS con una densidad de corriente de ingeniería aumentada.
Otro objeto de la invención es producir un hilo HTS que tenga un rendimiento eléctrico mejorado en aplicaciones de CA.
Otro objeto de la invención es producir un hilo HTS en el cual se elimine el sustrato texturizado durante el proceso de fabricación del hilo y se reutilice para producir otro hilo HTS con el sustrato texturizado eliminado.
En un aspecto, la invención incluye un conjunto de hilo superconductor laminado, que comprende una primera capa superconductora a alta temperatura que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie y una primera capa superior eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la primera superficie de la primera capa superconductora a alta temperatura. Hay una segunda capa superior eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la segunda superficie de la primera capa superconductora a alta temperatura y una primera capa de laminación superpuesta y fijada a la primera capa superior eléctricamente conductora. También hay una capa estabilizadora, que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie, estando la primera superficie de la capa estabilizadora superpuesta y fijada a la segunda capa superior eléctricamente conductora. También hay una segunda capa superconductora a alta temperatura que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie y una tercera capa superior eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la primera superficie de la segunda capa superconductora a alta temperatura. Además, existe una cuarta capa superior eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la segunda superficie de la segunda capa superconductora a alta temperatura y una segunda capa de laminación superpuesta y fijada a la cuarta capa superior eléctricamente conductora. La segunda superficie de la capa estabilizadora está superpuesta y fijada a la tercera capa superior eléctricamente conductora, y se incluye un primer filete dispuesto a lo largo de un primer borde del conjunto de hilo superconductor laminado y conectado a la primera capa de laminación y a la segunda capa de laminación. Hay un segundo filete dispuesto a lo largo de un segundo borde del conjunto de hilo superconductor laminado y conectado a la primera capa de laminación y a la segunda capa de laminación.
En otros aspectos de la invención, pueden incluirse una o más de las siguientes características. La primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura pueden comprender cada una un óxido de cobre-metal alcalinotérreo-tierras raras. La primera, segunda, tercera y cuarta capas superiores eléctricamente conductoras pueden comprender cada una plata o una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre. La primera y segunda capas de laminación pueden comprender cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. La primera y segunda capas de laminación pueden tener una anchura que sea mayor que la anchura de la primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura. La anchura de la primera y segunda capas de laminación puede ser entre 0,01 y 2 mm mayor que la anchura de la primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura. La capa estabilizadora puede comprender un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. La segunda capa superior eléctricamente conductora puede fijarse a la primera superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o de un metal de soldadura, la cuarta capa superior eléctricamente conductora puede fijarse a la segunda superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o de un metal de soldadura, la primera laminación puede fijarse a la primera capa superior eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o de un metal de soldadura, y la segunda laminación puede fijarse a la cuarta capa superior eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o de un metal de soldadura; y en donde el primer y segundo filetes pueden conformarse a partir de una resina epoxi o de un metal de soldadura. La resina epoxi puede doparse con material para hacer que la resina epoxi sea eléctricamente conductora, térmicamente conductora o eléctricamente y térmicamente conductora.
En otro aspecto, la invención presenta un conjunto de hilo superconductor laminado, que comprende una capa superconductora a alta temperatura que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie. Hay una primera capa superior eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la primera superficie de la capa superconductora a alta temperatura. También hay una segunda capa superior eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la segunda superficie de la primera capa superconductora a alta temperatura y una primera capa de laminación superpuesta y fijada a la primera capa superior eléctricamente conductora. Se incluye, además, una capa estabilizadora, que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie, estando la primera superficie de la capa estabilizadora superpuesta y fijada a la segunda capa superior eléctricamente conductora, y una segunda capa de laminación superpuesta y fijada a la segunda superficie de la capa estabilizadora. Se incluye un primer filete dispuesto a lo largo de un primer borde del conjunto de hilo superconductor laminado y conectado a la primera capa de laminación y a la segunda capa de laminación, y un segundo filete dispuesto a lo largo de un segundo borde del conjunto de hilo superconductor laminado y conectado a la primera capa de laminación y a la segunda capa de laminación.
En otros aspectos adicionales de la invención, pueden incluirse una o más de las siguientes características. La capa superconductora a alta temperatura puede comprender un óxido de cobre-metal alcalinotérreo-tierras raras. La primera y segunda capas superiores eléctricamente conductoras pueden comprender cada una plata o una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre. La primera y segunda capas de laminación pueden comprender cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. La primera y segunda capas de laminación pueden tener una anchura que sea mayor que la anchura de la primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura. La anchura de la primera y segunda capas de laminación puede ser entre 0,01 y 2 mm mayor que la anchura de la primera capa superconductora a alta temperatura. La capa estabilizadora puede comprender un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. La segunda capa superior eléctricamente conductora puede fijarse a la primera superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o de un metal de soldadura, la primera laminación puede fijarse a la primera capa superior eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o metal de soldadura y la segunda laminación puede unirse a la segunda con la segunda superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o de un metal de soldadura; y el primer y segundo filetees pueden conformarse a partir de una resina epoxi o de una soldadura. La resina epoxi puede doparse con material para hacer a la resina epoxi eléctricamente conductora, térmicamente conductora o eléctricamente y térmicamente conductora.
En un aspecto, la invención incluye un método para fabricar un hilo superconductor laminado. El método incluye proporcionar un primer inserto superconductor que tiene una primera capa superconductora a alta temperatura con una primera superficie superpuesta a, y en contacto físico directo con, un primer sustrato texturizado biaxialmente y una primera capa superior eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, una segunda superficie de la primera capa superconductora. El método incluye proporcionar también un segundo inserto superconductor que tiene una segunda capa superconductora a alta temperatura con una primera superficie superpuesta a, y en contacto físico directo con, una primera superficie de un segundo sustrato texturizado biaxialmente y una segunda capa superior eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, una segunda superficie de la segunda capa superconductora. El método también incluye fijar la primera capa superior eléctricamente conductora del primer inserto superconductor a una primera superficie de una capa estabilizadora y fijar la segunda capa superior eléctricamente conductora del segundo inserto superconductor a una segunda superficie de una capa estabilizadora opuesta a la primera superficie de la capa estabilizadora. Adicionalmente, el método incluye retirar el primer sustrato texturizado biaxialmente de la primera capa superconductora para exponer la primera superficie de la primera capa superconductora y retirar el segundo sustrato texturizado biaxialmente de la segunda capa superconductora para exponer la primera superficie de la segunda capa superconductora. El método incluye además fijar una tercera capa superior eléctricamente conductora a la primera superficie de la primera capa superconductora; y fijar una cuarta capa superior eléctricamente conductora a la primera superficie de la segunda capa superconductora y fijar una primera capa de laminación a la tercera capa superior eléctricamente conductora; y fijar una segunda capa de laminación a la cuarta capa superior eléctricamente conductora. El paso de fijar la primera y segunda capas de laminación incluye disponer un primer filete a lo largo de un primer borde del conjunto de hilo superconductor laminado y conectarlo a la primera capa de laminación y a la segunda capa de laminación y disponer un segundo filete a lo largo de un segundo borde del conjunto de hilo superconductor laminado y conectarlo a la primera capa de laminación y a la segunda capa de laminación.
En otros aspectos de la invención, pueden incluirse una o más de las siguientes características. La primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura pueden comprender cada una un óxido de cobre-metal alcalinotérreo-tierras raras. El primer y segundo sustratos texturizados biaxialmente pueden comprender cada uno una de entre una aleación Hastelloy o una aleación de níquel. El primer y segundo sustratos texturizados biaxialmente pueden comprender además al menos una capa intermedia. La primera, segunda, tercera y cuarta capas superiores eléctricamente conductoras pueden comprender cada una plata o una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre. La primera y segunda capas de laminación pueden comprender cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. La primera y segunda capas de laminación pueden tener una anchura que sea mayor que la anchura de la primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura. La anchura de la primera y segunda capas de laminación puede ser entre 0,01 y 2 mm mayor que la anchura de la primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura. La capa estabilizadora puede comprender un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. La segunda capa superior eléctricamente conductora puede fijarse a la primera superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o una soldadura, la cuarta capa superior eléctricamente conductora puede fijarse a la segunda superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o una soldadura, la primera laminación puede fijarse a la primera capa superior eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o una soldadura, y la segunda laminación puede fijarse a la segunda capa superior eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o una soldadura, y en donde el primer y segundo filetees pueden conformarse a partir de una resina epoxi o de una soldadura. El método puede incluir también reutilizar el primer y segundo sustratos texturizados biaxialmente retirados de la primera y segunda capas superconductoras para producir dos insertos superconductores, cada uno de los cuales tiene una capa superconductora a alta temperatura con una superficie superpuesta a, y en contacto directo con, uno del primer y segundo sustratos texturizados biaxialmente retirados.
En otro aspecto adicional, la invención incluye un método de fabricación de un hilo superconductor laminado, comprendiendo el método proporcionar un inserto superconductor que tiene una capa superconductora a alta temperatura con una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie. La primera superficie está superpuesta a, y en contacto directo con, un sustrato texturizado biaxialmente y una primera capa superior eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, una segunda superficie de la capa superconductora. El método incluye fijar la primera capa superior eléctricamente conductora del inserto superconductor a una primera superficie de una capa estabilizadora y retirar el sustrato texturizado biaxialmente de la primera capa superconductora para dejar al descubierto la primera superficie de la primera capa superconductora. El método incluye también fijar una tercera capa superior eléctricamente conductora a la primera superficie de la capa superconductora, fijar una primera capa de laminación a la segunda capa superior eléctricamente conductora y fijar una segunda capa de laminación a una segunda superficie de la capa estabilizadora. El paso de fijar la primera y segunda capas de laminación incluye disponer un primer filete a lo largo de un primer borde del conjunto de hilo superconductor laminado y conectarlo a la primera capa de laminación y a la segunda capa de laminación y disponer un segundo filete a lo largo de un segundo borde del conjunto de hilo superconductor laminado y conectarlo a la primera capa de laminación y a la segunda capa de laminación.
En otros aspectos más de la invención, pueden incluirse una o más de las siguientes características. La capa superconductora a alta temperatura puede comprender un óxido de cobre-metal alcalinotérreo-tierras raras. El sustrato texturizado biaxialmente puede comprender una de entre una aleación Hastelloy o de una aleación de níquel. El sustrato texturizado biaxialmente puede comprender además al menos una capa intermedia. La primera y segunda capas superiores eléctricamente conductoras pueden comprender cada una plata o una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre. La primera y segunda capas de laminación pueden comprender cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. La primera y segunda capas de laminación pueden tener una anchura que sea r que la anchura de la capa superconductora a alta temperatura. La anchura de la primera y segunda capas de laminación puede ser entre 0,01 y 2 mm mayor que la anchura de la capa superconductora a alta temperatura. La capa estabilizadora puede comprender un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. La segunda capa superior eléctricamente conductora puede fijarse a la primera superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o una soldadura, la primera laminación puede unirse a la primera capa superior eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o una soldadura y la segunda laminación puede unirse a la segunda con la segunda superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o una soldadura; y el primer y segundo filetes pueden conformarse a partir de una resina epoxi o de una soldadura. El método puede incluir además reutilizar el sustrato texturizado biaxialmente retirado de la primera capa superconductora para producir un inserto superconductor que tenga una capa superconductora a alta temperatura con una superficie superpuesta a, y en contacto directo con, el sustrato texturizado biaxialmente retirado.
Pueden establecerse características, ventajas y realizaciones adicionales de la presente invención a partir de la consideración de la siguiente descripción detallada, dibujos y reivindicaciones. Además, debe entenderse que tanto el resumen anterior de la presente descripción como la descripción detallada que sigue son ilustrativos, y pretenden proporcionar una explicación adicional sin limitar de forma adicional el alcance de la presente invención reivindicada.
Descripción de los dibujos
La Fig. 1 muestra la arquitectura de un hilo HTS de 2G de la técnica anterior.
La Fig. 2 ilustra un proceso carrete a carrete de la técnica anterior para fabricar el hilo HTS 2G de la Fig. 1 mediante el proceso RABiTS/MOD.
La Fig. 3 ilustra un proceso carrete a carrete para fabricar un hilo HTS de doble cara según una realización de la presente invención.
La Fig. 4 es una vista en sección transversal de un hilo HTS de doble cara fabricado según el proceso carrete a carrete de la Fig. 3.
La Fig. 5 ilustra un proceso carrete a carrete para fabricar un hilo HTS de doble cara según otra realización de la presente invención.
La Fig. 6 es una vista en sección transversal de un hilo HTS de una sola cara fabricado según el proceso carrete a carrete de la Fig. 5.
Descripción detallada
En la Fig. 1 se ha representado una arquitectura ilustrativa de un hilo HTS 10 de la técnica anterior. En esta arquitectura, el hilo HTS 10 incluye una capa superconductora policristalina 12 dispuesta encima de, y soportada por, un sustrato 16, entre los cuales hay una o más capas intermedias 14. El sustrato 16 comprende una lámina metálica flexible que puede conformarse a partir de cualquier material que contenga metal adecuado. Según una realización, el sustrato metálico flexible es una aleación que contiene níquel, tal como una aleación de tungsteno y níquel.
El sustrato 16 puede incluir una textura que se transfiere a la capa superconductora 12. Como se describe en la presente memoria, textura se refiere a una microestructura que incluye una alineación con el plano de cristales. Un alto grado de alineacióndel plano de cristales en la capa superconductora permite que la capa superconductora policristalina 12 presente un rendimiento similar al de un monocristal. El sustrato texturizado 16 puede ser una película metálica flexible con una de las otras capas descritas anteriormente. De forma alternativa, el sustrato texturizado 16 puede ser una capa aparte dentro del conductor recubierto.
El sustrato texturizado 16 puede producirse mediante cualquier proceso apropiado. Según una realización, el sustrato texturizado 16 puede producirse mediante un proceso de texturización biaxial de sustratos asistido por rodillos (RABiTS). El proceso RABiTS incluye la producción de una lámina metálica texturizada biaxialmente mediante un proceso asistido por rodillos. Después se proporciona al menos una capa intermedia 14 de óxido sobre el sustrato metálico 16 texturizado, presentando la capa intermedia de óxido la misma microestructura biaxialmente texturizada que el sustrato metálico. Después se deposita una capa superconductora 12 a alta temperatura texturizada biaxialmente sobre la o las capas intermedias 14 de óxido. La capa intermedia 14 de óxido impide la difusión de metal de la película a la capa superconductora.
Según otra realización, el sustrato texturizado puede producirse mediante un proceso que utiliza una deposición asistida por haz de iones (IBAD). El proceso IBAD incluye la deposición asistida por haz de iones de una capa intermedia de cerámica texturizada sobre la superficie de una lámina metálica no texturizada. Después se deposita una capa superconductora sobre la capa intermedia de cerámica texturizada. Pueden proporcionarse capas intermedias adicionales entre la capa intermedia de cerámica texturizada y la capa superconductora y/o entre la película metálica y la capa intermedia de cerámica texturizada. El conductor recubierto mediante el proceso IBAD incluye un sustrato de película metálica, una capa intermedia de óxido texturizada, capas intermedias de óxido, una capa superconductora, una capa protectora metálica y una capa estabilizadora.
La capa superconductora puede depositarse sobre el sustrato de la estructura conductora recubierta mediante cualquier proceso adecuado. Según una realización, la capa superconductora puede depositarse mediante un proceso de deposición organometálicos. Según otra realización, la capa superconductora puede depositarse mediante una deposición por láser pulsado (PLD), coevaporación reactiva (RCE), deposición de vapor química de organometálicos (MOCVD), de deposición por haz de electrones, deposición química en fase de vapor (CVD) o de pulverización en vacío. La capa superconductora puede tener cualquier espesor adecuado. Según una realización, la capa superconductora tiene un espesor mayor que 1 pm. En otra realización, la capa superconductora tiene un espesor en el intervalo de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 2 pm. Según algunas realizaciones, el superconductor puede tener un espesor menor que aproximadamente 5 pm.
Como se conoce en este campo, el hilo HTS 10 también puede incluir una capa protectora metálica 18a, tal como una capa de Ag, dispuesta encima de la capa superconductora 12 y una capa estabilizadora 20a dispuesta encima de la capa metálica 18a. El hilo HTS 10 también puede incluir una capa protectora metálica 18b, tal como una capa de Ag, dispuesta encima de una superficie del sustrato 16 opuesta a la superficie encima de la cual están dispuestas las capas intermedias 14. Y la capa estabilizadora 20b puede disponerse sobre la capa metálica 18b. Combinadas, la capa protectora y la capa estabilizadora pueden denominarse en la presente memoria capa superior.
Las capas protectoras 18a/18b de metal (o capas superiores) se depositan encima de la capa superconductora 14 y del sustrato 16 con el propósito de proteger la capa superconductora o el sustrato y pueden ser de cualquier material adecuado que contenga metal. Según una realización, la capa protectora de metal es una capa de plata. La capa protectora puede tener cualquier espesor adecuado. Según una realización, la capa protectora tiene un espesor de 3 pm. Según otra realización, la capa protectora tiene un espesor de aproximadamente 1 pm. Según otra realización, la capa protectora tiene un espesor de aproximadamente 0,5 pm.
Según una realización, las capas estabilizadoras 20a/20b pueden incluir cualquier material adecuado que contenga metal y pueden tener un espesor mayor que 25 pm. En otra realización, las capas estabilizadoras pueden tener espesores de 10 a 25 pm. En otra realización, las capas estabilizadoras pueden tener espesores de aproximadamente 0,5 pm. En una realización, las capas estabilizadoras son de cobre. En otras realizaciones, las capas estabilizadoras son de acero inoxidable, de latón o de cualquier otro material adecuado que contenga metal. En una realización, la anchura de las capas estabilizadoras es igual que la de la capa HTS 12. En otra realización, la anchura de las capas estabilizadoras es mayor que la de la capa HTS 12. En otra realización, la capa estabilizadora puede envolver todos los lados del hilo HTS 10.
La capa superconductora 12 puede conformarse a partir de cualquier superconductor adecuado. Según una realización, la capa superconductora puede ser un superconductor de óxido-metal de transición-metal alcalinotérreometal de tierras raras. Según una realización, la capa superconductora 12 puede contener un superconductor con la fórmula general:
(RE)Ba2Cu3O7-5
donde RE incluye al menos un metal de tierras raras y 0 < 5 < 0,65. Según otra realización, la capa superconductora puede contener un superconductor con la fórmula general:
(RE)Ba2Cu3O7
donde RE incluye al menos un metal de tierras raras. En una realización, RE puede incluir itrio, produciendo una capa superconductora con la fórmula general YBa2Cu3O7 (YBCO). Aunque la capa superconductora se denominará en la presente memoria capa superconductora YBCO por conveniencia, los métodos tratados en la presente solicitud aplican igualmente a otros materiales superconductores adecuados. En algunos casos, RE puede ser una mezcla de dos o más metales de tierras raras.
Además del metal de tierras raras primario, la capa superconductora 12 también puede incluir un dopante. El dopante puede ser un metal de tierras raras. Según una realización, una capa superconductora YBCO puede incluir un dopante de disprosio. El dopante puede estar presente en una cantidad de hasta un 75 % con respecto al metal de tierras raras primario. Según una realización, el dopante está presente en una cantidad de al menos aproximadamente 1 % y como máximo aproximadamente 50 % del metal de tierras raras primario. Según otra realización, el dopante puede ser un metal de transición, tal como circonio, niobio, tántalo, hafnio u oro. El dopante puede combinarse con otros elementos en el superconductor para formar un óxido metálico sencillo o mixto.
En una realización, el hilo HTS 10 puede seccionarse a lo largo de su longitud en múltiples tiras. El seccionamiento puede realizarse mediante cualquier medio adecuado, incluido el corte con láser, el corte longitudinal o el punzonado. Además, después de seccionar el hilo HTS 10 a lo largo de su longitud en múltiples tiras, las tiras pueden entonces intercalarse entre laminaciones en las superficies externas de las capas estabilizadoras 20a y 20b, como se describe más adelante.
Incluyendo las laminaciones, así como las capas estabilizadoras 20a y 20b, la estructura de hilo HTS se refuerza mecánicamente de forma adecuaday se han proporcionado rutas eléctricas desde la capa HTS 12 de modo que esté eléctricamente estabilizada. Por lo tanto, está configurado para utilizarse directamente en una aplicación de energía eléctrica, tal como, por ejemplo, en un cable de fuerza HTS. En determinados casos, todo lo que se desea es el hilo denominado “inserto” que comprende la estructura de hilo HTS de la Fig. 1 sin las capas de laminación. Como se describirá más adelante, el hilo HTS según la presente invención se construye a partir del inserto HTS (menos la capa metálica 18b y el estabilizador 20b) como punto de partida del proceso.
En la Fig. 2 se muestra un proceso 30 de fabricación rodillo a rodillo para producir un hilo superconductor, tal como el hilo HTS 10 de la Fig. 1, utilizando un sustrato RABiTS como plantilla y el proceso MOD para obtener la capa YBCO. El proceso incluye un enrollado del sustrato y un recocido de texturización en la etapa 32 de proceso para producir un sustrato tal como el sustrato 16 de la Fig. 1. En las etapas 34 y 36 se muestran, respectivamente, una deposición de capas intermedias y una deposición de capas intermedias por pulverización catódica de capas intermedias, que producen capas intermedias, tales como las capas intermedias 14 de la Fig. 1. En las etapas 38, 40 y 42, la capa HTS (p. ej., la capa HTS 12 de la Fig. 1) se deposita recubriendo el sustrato con un precursor de (RE)BCO basado en una solución, el precursor se descompone y la capa de (RE)BCO crece. A continuación, en la etapa 44 se depositan unas capas protectoras de plata (p. ej., las capas 18a/18b de la Fig. 1) sobre la capa HTS y el sustrato, y en la etapa 46 se realiza un tratamiento térmico de oxigenación. Una etapa opcional del proceso es una etapa 48 de irradiación iónica, que puede utilizarse para producir una distribución uniforme de microestructuras de anclaje en la capa HTS para mejorar el rendimiento eléctrico, en particular, en campos magnéticos aplicados. Esta etapa de proceso se describe con mayor detalle en la solicitud de patente publicada US-2017/0062098 A1. En la etapa 50 del proceso, se depositan capas estabilizadoras, tales como las capas estabilizadoras 20a/20b de la Fig. 1, seguido de su corte y de la aplicación de laminaciones en las etapas 52 y 54, respectivamente.
Se entiende que las etapas de proceso individuales descritas en la Fig. 2 pueden reemplazarse cuando se utilicen otros procesos para la plantilla, la deposición de YBCO o la estabilización.
Utilizando el proceso básico de fabricación de hilos HTS descrito anteriormente, pueden incorporarse etapas de procesamiento adicionales/distintas según la presente invención para producir un hilo HTS con una densidad de corriente de ingeniería aumentada, así como un hilo HTS con un rendimiento eléctrico mejorado en aplicaciones de corriente alterna. Las etapas de procesamiento adicionales y la arquitectura de hilo HTS se describen más adelante con respecto a las Figs. 3-7.
En la Fig. 3 se ha representado un proceso 60 carrete a carrete continuo según una realización de la presente invención para incluir unos carretes 62 y 64 que llevan unos hilos 10a y 10b de inserto HTS, respectivamente, que pueden ser comparables al hilo de inserto HTS descrito anteriormente con respecto a la Fig. 1 (excluyendo la capa metálica 18b y el estabilizador 20b). Hay un carrete adicional 68 que lleva material estabilizador 70. En una realización, el material estabilizador 70 puede incluir cualquier material adecuado que contenga metal y puede tener un espesor mayor que 10 pm. En otra realización, la capa estabilizadora puede tener un espesor de 1 a 2 pm. En una realización, la capa estabilizadora es de cobre. En otras realizaciones, la capa estabilizadora 70 comprende un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. Cabe señalar que, si bien se muestra que el proceso 60 es un proceso continuo, el proceso podría llevarse a cabo de forma alternativa utilizando dos o más etapas individuales.
Se suelta hilo 10a de inserto HTS del carrete 62 de modo que su capa superior 72a mire hacia la superficie superior del material estabilizador 70. Se suelta hilo 10b de inserto HTS del carrete 64 de modo que su capa superior 72b mire hacia la superficie inferior del material estabilizador 70. Las superficies opuestas de las capas superiores 72a y 72b son unas capas 74a y 74b de sustrato de los hilos 10a y 10b de inserto HTS, respectivamente. Las capas 74a/74b de sustrato también pueden incluir una o más capas intermedias. Los hilos 10a y 10b de inserto HTS se sitúan a cada lado del estabilizador 70, y los tres materiales se suministran a través de una máquina 76 de unión, que une los dos hilos 10a/10b de inserto HTS a unas superficies opuestas del estabilizador 70 a través de unas capas delgadas de una soldadura basada en estaño para producir una estructura 80 de hilo HTS de doble cara. En otra realización, se emplea una capa delgada de resina epoxi, que puede doparse con material para hacerla eléctricamente conductora, térmicamente conductora o eléctricamente y térmicamente conductora, para unir los insertos HTS 10a/10b a unas superficies opuestas del estabilizador 70.
La estructura 80 de hilo HTS de doble cara se introduce en un dispositivo 82 de exfoliación, que hace que las capas 74a y 74b de sustrato, que incluyen las capas intermedias, se liberen o exfolien de cada hilo 10a y 10b y dejen las capas HTS 75a y 75b expuestas. El proceso de exfoliación se basa en el hecho de que, cuando las dos tiras 10a y 10b de inserto HTS están unidas al estabilizador 70, la interfase más débil en la tira compuesta 80 se encuentra entre la capa HTS y la capa intermedia de óxido en las tiras 10a y 10b de inserto HTS. Esta interfase tiene una resistencia de desprendimiento o de división muy bajo, < 1 MPa. Cuando la tira compuesta 80 se introduce en el dispositivo 82 de exfoliación, los insertos 74a y 74b exfoliados se separan de las capas HTS 75a y 75b a cada lado del estabilizador 90 desprendiéndolos en un ángulo de entre 5 a 85° en relación con la superficie del estabilizador 90. En una realización alternativa, puede ayudarse a la exfoliación mediante la introducción de tensión adicional entre los insertos 74a y 74b a medida que se separan de las capas HTS 75a y 75b a cada lado del estabilizador 90 calentando la tira compuesta 80. En otra realización, puede ayudarse a la exfoliación enfriando la tira compuesta 80. En una presentación titulada “Recent Progress on SuNAM’s Coated Conductor Development; Performance, Price & Utilizing ways”, hecha por SuNAM Co., LTD, de Corea el 13 de septiembre de 2016 en la conferencia Coated Conductors For Applications 2016 (CCA2016) celebrada en Aspen, Colorado, EE UU, se describió un proceso de exfoliación.
Los sustratos 74a y 74b exfoliados se recogen en carretes 84 y 86 como parte del proceso continuo 60, dejando una estructura 90 de hilo compuesta. La estructura 90 de hilo compuesta incluye las capas superiores 72a y 72b fijadas al estabilizador 70 y las capas HTS 75a y 75b expuestas y mirando hacia afuera respecto a la capa estabilizadora 70. Cabe señalar que los sustratos 74a y 74b con capas intermedias exfoliados pueden reutilizarse como plantillas para obtener nuevas capas HTS sobre las mismas, y los hilos HTS con los sustratos exfoliados y utilizados previamente pueden alimentarse a través del proceso continuo 60 para exfoliarse de nuevo, de modo que puedan producirse los hilos HTS según la presente invención. En una realización, la capa intermedia superior 14 de óxido texturizada biaxialmente puede redepositarse sobre el sustrato metálico 16 antes de que se utilice como plantilla para obtener una nueva capa HTS. En una realización, la capa intermedia superior 14 es de CeO2.
Las capas superiores se depositan sobre las superficies exteriores de las capas HTS 75a y 75b de la estructura 90 de hilo compuesta. Las capas superiores pueden comprender cada una plata o una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre. En el caso de una capa de plata en combinación con una capa de cobre, se utilizarían dos etapas de deposición. En una realización, la capa de plata puede depositarse por deposición al vacío y la capa de cobre puede depositarse mediante un proceso de deposición electroquímica. En la técnica anterior de la Fig. 1 se muestra un ejemplo de una capa de plata y de una capa de cobre como la capa 18a de plata combinada con la capa 20a de cobre.
Una etapa opcional del proceso es el paso 48 de irradiación iónica de la Fig. 2, que puede emplearse para producir una distribución uniforme de microestructuras de soporte en la capa HTS para mejorar el rendimiento eléctrico, en particular, en campos magnéticos aplicados. En una realización, el paso 48 de irradiación iónica puede introducirse antes de la deposición de una capa 170 de plata o de aleación de plata. En una realización alternativa, la etapa 48 de irradiación iónica puede introducirse después de la deposición de la capa 170 de plata o de aleación de plata.
Se suministra una estructura 93 de hilo compuesta con capas superiores a una cortadora 94 de hilo, que corta la estructura 93 de hilo utilizando una cortadora láser, por ejemplo, en una pluralidad de hilos HTS 95 individuales más estrechos, que se introducen en un dispositivo 99 de laminación. El dispositivo 99 de laminación dispone unas laminaciones 96a y 96b, suministradas desde carretes 97 y 98, respectivamente,sobre las superficies superior e inferior de los hilos HTS 95 cortados para formar una pluralidad de hilos 100 de doble capa HTS compuestos, según una realización de la invención.
En una realización, el dispositivo 99 de laminación es un baño de soldadura que proporciona una capa de soldadura para adherir las laminaciones a la estructura 95 de hilo compuesta. Cabe señalar que las capas de laminación pueden comprender cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. Además, las capas de laminación pueden tener una anchura que sea mayor que las capas HTS en entre 0,01 y 2 mm.
En una realización alternativa, el dispositivo 99 de laminación adhiere las capas 96a/96b de laminación a su capa superior respectiva con una resina epoxi, que puede doparse con material para hacer que la resina epoxi sea eléctricamente conductora, térmicamente conductora o eléctricamente y térmicamente conductora.
Como se muestra en un diagrama de la sección transversal del hilo 100 de doble capa HTS en la Fig. 4, éste incluye una primera superficie de la capa HTS 75a cubierta por la capa superior de plata/cobre 72a adherida a la superficie superior del estabilizador 70 por una capa 102a de resina epoxi o soldadura. También se muestra una primera superficie de la capa HTS 75b cubierta por la capa superior 72b de plata/cobre adherida a la superficie inferior del estabilizador 70 por una o capa 102b de resina epoxi o soldadura. Una segunda superficie, opuesta a la primera superficie, de la capa HTS 75a está cubierta por una capa superior 104a adherida a la laminación 96a por una capa 106a de resina epoxi o soldadura. Una segunda superficie, opuesta a la primera superficie, de la capa HTS 75b está cubierta por una capa superior 104b adherida a la laminación 96b por una capa 106a de resina epoxi o de material de soldadura. Durante el proceso de laminación mediante el dispositivo 99 de laminación de la Fig. 3, hay dispuestos unos filetees 108a y 108b de resina epoxi o soldadura a lo largo de la longitud y bordes de cada pluralidad de hilos 100 que conectan mecánica y eléctricamente las laminaciones 96a y 96b.
Cabe señalar que el dispositivo 99 de laminación puede estar configurado para aplicar resina epoxi para adherir las laminaciones a las capas superiores de los hilos HTS en vez de utilizar soldadura. Además, en ese caso, los filetes 108a/108b a lo largo de la longitud y de los bordes de los hilos HTS también están conformados de epoxi. La resina epoxi puede doparse con material para hacer que la resina epoxi sea eléctricamente conductora, térmicamente conductora o eléctricamente y térmicamente conductora.
Como es evidente a partir de la Fig. 4, las capas de sustrato/intermedias 74a y 74b no están presentes en el hilo de doble capa HTS 100 debido al proceso de exfoliación mostrado en la Fig. 3. Como resultado de lo anterior, se duplica la Ic del hilo 100 de doble capa HTS construido con las mismas dimensiones de lámina y la misma anchura de inserto HTS que un hilo 70 no exfoliado. El espesor del hilo 100 de doble capa HTS se reduce en la diferencia de los espesores de la/s capa/s de sustrato e intermedia/s para cada capa HTS 74a y 74b más el espesor de dos capas de lámina y el espesor de la capa estabilizadora 70. Por lo tanto, esto produce un incremento en la densidad de corriente de ingeniería, Je, del hilo 100 de doble capa HTS en relación con tal hilo HTS estándar no exfoliado de una sola capa. Además, es importante señalar que, eliminando los sustratos ferromagnéticos del producto de hilo final, se eliminan los problemas de rendimiento eléctrico asociados a los hilos que hacen uso de sustratos ferromagnéticos.
Un hilo HTS estándar, compuesto por un inserto HTS de 10 mm de anchura que contiene una capa HTS de 1,2 pm de espesor, un sustrato de 75 pm de espesor, una capa intermedia de 150 nm de espesor y una lámina con dimensiones de 12x0,05 mm, tiene una corriente crítica mínima (Ic) de aproximadamente 350 A a 77 0K y campo propio. Esto se traduce en una Je mínima de aproximadamente 155 A/mm . El nuevo hilo 100 de doble capa de la Fig. 4, producido a partir del mismo inserto HTS de partida y una lámina junto con una tira estabilizadora de 25 nm de espesor, puede tener una Ic mínima de aproximadamente 700 A a 77 °K y campo inducido. Esto se traduce en un aumento de la Je mínima hasta aproximadamente 400 A/mm2. En la Fig. 5 se muestra un proceso continuo 150 de carrete a carrete según otra realización de la presente invención que incluye un único carrete 152 que lleva un hilo de inserto HTS 154, que puede ser comparable al hilo de inserto HTS descrito anteriormente con respecto a la Fig. 1. . Cabe señalar que, si bien se muestra que el proceso 150 es un proceso continuo, el proceso podría llevarse a cabo, de forma alternativa, utilizando dos o más etapas individuales.
Hay un carrete adicional 156 que lleva material estabilizador 158. En una realización, el material estabilizador 158 puede incluir cualquier material adecuado que contenga metal y puede tener un espesor mayor que 25 pm. En otra realización, el estabilizador puede tener un espesor de 10 a 25 pm. En una realización, el estabilizador es cobre. En otras realizaciones, la capa estabilizadora 158 comprende un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro.
Se suelta hilo de inserto HTS 154 del carrete 152 de modo que su capa superior 160 mire hacia la superficie superior del material estabilizador 158. La superficie opuesta a la capa superior 160 es un sustrato 162 del hilo de inserto HTS 154. El sustrato 162 también puede incluir una o más capas intermedias. El hilo 154 de inserto HTS en un lado del estabilizador 158 se suministra a través de una máquina 164 de unión que une el inserto HTS 154 al estabilizador 158 a través de una capa delgada de una soldadura basada en estaño para producir una estructura 166 de hilo HTS de un solo lado.
En otra realización, se utiliza una capa delgada de resina epoxi, que puede doparse con material para hacerla eléctricamente conductora, térmicamente conductora o eléctricamente y térmicamente conductora, para unir el inserto HTS 154 al estabilizador 158 para producir una estructura 166 de hilo HTS de un solo lado.
La estructura 166 de hilo HTS de un solo lado se introduce en el dispositivo 168 de exfoliación, haciendo que la capa 162 de sustrato que incluye capas intermedias se suelte o exfolie del hilo HTS 152, dejando la capa HTS 170 expuesta. El sustrato exfoliado 162 se recoge en un carrete 172 como parte del proceso continuo 150 que deja la estructura 174 de hilo compuesta. La estructura 174 de hilo compuesta incluye una capa superior 160 fijada al estabilizador 158 y la capa HTS 170 expuesta y mirando hacia afuera con respecto a la capa estabilizadora 158. Cabe señalar que el sustrato 162 exfoliado con capas intermedias puede reutilizarse como plantilla para hacer crecer nuevas capas HTS encima de los mismos, y los hilos HTS con el sustratos exfoliados y utilizado anteriormente puede alimentarse al proceso continuo 150 para exfoliarse de nuevo, de modo que puedan producirse los hilos HTS según la presente invención. En una realización, la capa intermedia 14 superior de óxido texturizada biaxialmente puede redepositarse sobre el sustrato metálico 16 antes de que se utilice como plantilla para obtener una nueva capa HTS. En una realización, la capa intermedia superior 14 es de CeÜ2.
La estructura 174 de hilo compuesta se introduce en un baño metálico 176 para producir una capa superior sobre la capa HTS 170. La capa superior puede comprender plata o una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre. En el caso de una capa de plata en combinación con una capa de cobre, se emplearían dos baños distintos. En la técnica anterior de la Fig. 1 se muestra un ejemplo de una capa de plata y de una capa de cobre como la capa 18a de plata combinada con la capa 20a de cobre.
Una etapa opcional del proceso es el paso 48 de irradiación iónica de la Fig. 2, que puede emplearse para producir una distribución uniforme de microestructuras de soporte en la capa HTS para mejorar el rendimiento eléctrico, en particular, en campos magnéticos aplicados. En una realización, el paso 48 de irradiación iónica puede introducirse antes de la deposición de una capa 170 de plata o de aleación de plata. En una realización alternativa, la etapa 48 de irradiación iónica puede introducirse después de la deposición de la capa 170 de plata o de aleación de plata. Se suministra una estructura 178 de hilo compuesta con una capa superior a una cortadora 180 de hilo, que corta la estructura 178 de hilo utilizando una cortadora láser, por ejemplo, a una pluralidad de hilos HTS 182 individuales más estrechos, que se introducen en un dispositivo 184 de laminación. El dispositivo 184 de laminación dispone unas capas 186 y 188 de laminación suministradas desde unos carretes 187 y 189, respectivamente, encima de las superficies superior e inferior de los hilos HTS 182 cortados para formar una pluralidad de hilos HTS 190 de capa de un solo lado compuesta.
En una realización, el dispositivo 184 de laminación es un baño de soldadura que proporciona una capa de material de soldadura para adherir las laminaciones a la estructura 182 de hilo compuesta. Cabe señalarse que las capas de laminación pueden comprender cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro. Además, las capas de laminación pueden tener una anchura que sea mayor que las capas HTS en entre 0,01 y 2 mm.
En una realización alternativa, el dispositivo 184 de laminación adhiere las capas 186/188 de laminación a su respectiva capa superior por medio de una resina epoxi, que puede doparse con material para hacer que la resina epoxi sea eléctricamente conductora, térmicamente conductora o eléctricamente y térmicamente conductora.
En la Fig. 6 se muestra un diagrama en sección transversal del hilo 190 de capa HTS de un solo lado, que incluye una primera capa superior 160 de plata/cobre de la capa HTS 170 adherida a la superficie superior del estabilizador 158 por una capa 192 de resina epoxi o de soldadura. También se muestra una segunda capa superior 194 de plata/cobre sobre la capa HTS 170. La capa superior 194 está adherida a la laminación 186 por una capa 198 de resina epoxi o de soldadura. En una segunda superficie, opuesta a la primera superficie del estabilizador 158, la laminación 188 está fijada a la misma por una capa 200 de resina epoxi o de soldadura. Durante el proceso de laminación realizado por el dispositivo 184 de laminación de la Fig. 5,hay dispuestos unos filetees 202 y 204 de resina epoxi o de soldadura a lo largo de la longitud y bordes de cada pluralidad de hilos 190 que conectan mecánica y eléctricamente las laminaciones 186 y 188.
Como puede verse en la Fig. 4, las capas 162 de sustrato/intermedias no están presentes en el hilo 190 de capa HTS de un solo lado debido al proceso de exfoliación, como se muestra en la Fig. 5. Por consiguiente, el espesor 190 del hilo de capa HTS de un solo lado se reduce en la diferencia entre el espesor del sustrato y a o las capas intermedias y el espesor de la capa estabilizadora. Para un espesor de sustrato y capa intermedia de aproximadamente 75 pm y un espesor de capa estabilizadora de aproximadamente 25 pm, esto equivale a una reducción de espesor de 50 pm. Esto produce por lo tanto un aumento de la densidad de corriente de ingeniería, Je, de la capa HTS 190 de un solo lado con respecto a tal estructura de capa de un solo lado que utiliza hilo no exfoliado con las mismas dimensiones de lámina hasta un máximo de {[espesor de hilo HTS no exfoliado] / [espesor de hilo HTS no exfoliado - 50 pm]} x 100 %. Además, como se ha descrito anteriormente, eliminando el sustrato en el producto de hilo final, en hilos que normalmente utilizan sustratos magnéticos, se solucionan los problemas de rendimiento eléctrico asociados a sustratos magnéticos.
Un hilo HTS estándar, compuesto por un inserto HTS de 4 mm de anchura que contiene una capa HTS de 1,2 pm de espesor, un sustrato de 75 pm de espesor, una capa intermedia de 150 nm de espesor y una lámina con dimensiones de 4,4x0,15 mm, puede tener una intensidad crítica mínima (Ic) de aproximadamente 150 A a 77 0K y campo propio. Esto se traduce en una Je mínima de 85 A/mm2. La nueva capa única 190 de la Fig. 6, producida a partir del mismo inserto HTS de partida y una lámina junto con una tira estabilizadora de 25 nm de espesor puede tener una h de 150 A. Esto se traduce en una Je mínima de aproximadamente 100 A/mm2.
Aunque en la presente memoria se han mostrado y descrito realizaciones preferidas de la presente invención, pueden hacerse diversas modificaciones a las mismas sin apartarse de la idea inventiva de la presente invención. Por lo tanto, debe entenderse que se ha descrito la presente invención a título ilustrativo, y no de forma limitativa. Otras realizaciones están dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    Un conjunto (100,190) de hilo superconductor laminado, que comprende:
    - una primera capa superconductora (75a, 170) a alta temperatura que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie;
    - una primera capa superior (104a, 194) eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la primera superficie de la primera capa superconductora a alta temperatura; - una segunda capa superior (72a, 160) eléctricamente conductora superpuesta a y en contacto físico directo con la segunda superficie de la primera capa superconductora (75a, 170) a alta temperatura;
    - una primera capa (96a, 186) de laminación superpuesta y fijada a la primera capa superior (104a, 194) eléctricamente conductora;
    - una capa estabilizadora (70, 158), que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie, estando la primera superficie de la capa estabilizadora superpuesta y fijada a la segunda capa superior (72a, 160) eléctricamente conductora; y
    - una segunda capa (96b, 188) de laminación;
    - en donde se incluye un primer filete (108a, 202) dispuesto a lo largo de un primer borde del conjunto (100, 190) de hilo superconductor laminado y conectado a la primera capa (96a, 186) de laminación y a la segunda capa (96b, 188) de laminación y un segundo filete (108b, 204) dispuesto a lo largo de un segundo borde del conjunto (100, 190) de hilo superconductor laminado y conectado a la primera capa (96a, 188) de laminación y la segunda capa (96b, 188) de laminación; y
    - comprendiendo además el conjunto (190) de hilo superconductor laminado :
    - la segunda capa (188) de laminación superpuesta y fijada a la segunda superficie de la capa estabilizadora (158), o
    - comprendiendo además el conjunto (100) de hilo superconductor laminado:
    - una segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura que tiene una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie;
    - una tercera capa superior (72b) eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la primera superficie de la segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura;
    - una cuarta capa superior (104b) eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, la segunda superficie de la segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura;
    - estando la segunda capa de laminación (96b) superpuesta y fija a la cuarta capa superior (104b) eléctricamente conductora; y
    - en donde la segunda superficie de la capa estabilizadora (70) está superpuesta y fija a la tercera capa superior (72b) eléctricamente conductora.
    El conjunto (100) de hilo de la reivindicación 1, que comprende dicha segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura, en donde la primera y segunda capas superconductoras (75a, 75b) a alta temperatura comprenden cada una un óxido de cobre-metal alcalinotérreo-tierras raras, en donde la primera, segunda, tercera y cuarta capas superiores (104a, 72a, 72b, 104b) eléctricamente conductoras comprenden cada una plata o una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre, en donde la primera y segunda capas (96a, 96b) de laminación comprenden cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro, y en donde la capa estabilizadora (70) comprende un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro.
    El conjunto (100) de hilo de la reivindicación 2, que comprende dicha segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura, en donde la primera y segunda capas (96a, 96b) de laminación tienen una anchura que es mayor que la anchura de la primera y segunda capas superconductoras (75a, 75b) a alta temperatura; y en donde la anchura de la primera y segunda capas (96a, 96b) de laminación es entre 0,01 y 2 mm mayor que la anchura de la primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura.
    El conjunto (100) de hilo de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que comprende la segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura, en donde la segunda capa superior (72a) eléctricamente conductora está fijada a la primera superficie de la capa estabilizadora (70) por medio de una resina epoxi o de una soldadura, la cuarta capa superior (102 b) eléctricamente conductora está fijada a la segunda superficie de la capa estabilizadora (70) por medio de una resina epoxi o una soldadura, la primera capa (96a) de laminación está fijada a la primera capa superior (104a) eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o una soldadura, y la segunda capa (96b) de laminación está fijada a la cuarta capa superior (104b) eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o un metal de soldadura, y en donde el primer y segundo filetes (108a, 108b) están conformados a partir de una resina epoxi o una soldadura, y en donde la resina epoxi está dopada con un material para hacer la resina epoxi eléctricamente conductora, térmicamente conductora o eléctrica y térmicamente conductora.
    El conjunto (190) de hilo de la reivindicación 1, que comprende dicha segunda capa (188) de laminación superpuesta y fijada a la segunda superficie de la capa estabilizadora (158), en donde la capa superconductora (170) a alta temperatura comprende un óxido de cobre-metal alcalinotérreo--tierras raras, en donde la primera y segunda capas superiores (194, 160) eléctricamente conductoras comprenden cada una plata o una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre, en donde la primera y segunda capas (186, 188) de laminación comprenden cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel, y aleación de hierro, y en donde la capa estabilizadora (158) comprende un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro.
    El conjunto (190) de hilo según la reivindicación 5, en donde la primera y segunda capas (186, 188) de laminación tienen una anchura que es mayor que la anchura de la primera capa superconductora (170) a alta temperatura, y en donde la anchura de la primera y segunda capas (186, 188) de laminación es entre 0,01 y 2 mm mayor que la anchura de la primera capa superconductora (170) a alta temperatura.
    El conjunto (190) de hilo de las reivindicaciones 1, 5 o 6, que comprende dicha segunda capa (188) de laminación superpuesta y fijada a la segunda superficie de la capa estabilizadora (158), en donde la segunda capa superior (160) eléctricamente conductora está fijada a la primera superficie de la capa estabilizadora (158) por medio de una resina epoxi o una soldadura, la primera capa (186) de laminación está fijada a la primera capa superior (194) eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o una soldadura y la segunda capa (188) de laminación está unida a la segunda superficie de la capa estabilizadora (158) por medio de una resina epoxi o una soldadura, y en donde el primer y segundo filetes (202, 204) están conformados a partir de una resina epoxi o una soldadura, y en donde la resina epoxi está dopada con un material para hacer la resina epoxi eléctricamente conductora, térmicamente conductora o eléctrica y térmicamente conductora.
    Método de elaboración de un conjunto (100, 190) de hilo superconductor laminado, comprendiendo el método:
    - proporcionar un inserto superconductor (10a, 154) que tiene una primera capa superconductora (75a, 170) a alta temperatura con una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie, estando la primera superficie superpuesta a, y en contacto directo con, un sustrato texturizado biaxialmente (74a, 162), y estando una primera capa superior (72a, 160) eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, una segunda superficie de la capa superconductora (75a, 170);
    - fijar la primera capa superior (72a, 160) eléctricamente conductora del inserto superconductor a una primera superficie de una capa estabilizadora (70, 158);
    - retirar el sustrato texturizado biaxialmente (74a, 162) de la primera capa superconductora (75a, 170) para dejar expuesta la primera superficie de la primera capa superconductora (75a, 170); - fijar una segunda capa superior (104a, 194) eléctricamente conductora a la primera superficie de la primera capa superconductora (75a, 170); y
    - fijar una primera capa (96a, 186) de laminación a la segunda capa superior (104a, 194) eléctricamente conductora;
    - comprendiendo además el método:
    - fijar una segunda capa (188) de laminación a una segunda superficie de la capa estabilizadora (158);
    - o comprendiendo además el método:
    - proporcionar un segundo inserto superconductor (10b) que tiene una segunda capa superconductora (75b) a alta temperatura con una primera superficie superpuesta a, y en contacto físico directo con, una primera superficie de un segundo sustrato texturizado biaxialmente (74b) y una tercera capa superior (72b) eléctricamente conductora superpuesta a, y en contacto físico directo con, una segunda superficie de la segunda capa superconductora (75b);
    - fijar la tercera capa superior (72b) eléctricamente conductora del segundo inserto superconductor a una segunda superficie de la capa estabilizadora (70) opuesta a la primera superficie de la capa estabilizadora (70);
    - retirar el segundo sustrato texturizado biaxialmente (74b) de la segunda capa superconductora (75b) para dejar expuesta la primera superficie de la segunda capa superconductora (75b);
    - fijar una cuarta capa superior (104b) eléctricamente conductora a la primera superficie de la segunda capa superconductora (75b); y
    - fijar una segunda capa (96b) de laminación a la cuarta capa superior (104b) eléctricamente conductora;
    - en donde los etapas de fijar las capas de laminación incluyen en ambos casos colocar un primer filete (108a, 202) a lo largo de un primer borde del conjunto de hilo superconductor laminado y conectarlo a la primera capa (98a, 188) de laminación y a la segunda capa (96b, 188) de laminación y poner un segundo filete (108 B, 204) a lo largo de un segundo borde de la estructura laminada de hilo superconductor y conectarlo a la primera capa (96a, 186) de laminación y a la segunda capa (96b, 188) de laminación.
    9. El método de la reivindicación 8, que comprende proporcionar dicho segundo inserto superconductor, en donde la primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura comprenden cada una un óxido de cobre-metal alcalinotérreo-tierras raras, en donde el primer y segundo sustratos texturizados biaxialmente comprenden cada uno una de entre una aleación Hastelloy o una aleación de níquel, en donde el primer y segundo sustratos texturizados biaxialmente comprenden cada uno al menos una capa intermedia, en donde la primera, segunda, tercera y cuarta capas superiores eléctricamente conductoras comprenden cada una plata o una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre, y en donde la capa estabilizadora comprende un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro.
    10. El método de las reivindicaciones 8 y 9, que comprende proporcionar dicho segundo inserto superconductor, en donde la primera y segunda capas de laminación comprenden cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro; en donde la primera y segunda capas de laminación tienen una anchura que es mayor que la anchura de la primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura, y en donde la anchura de la primera y segunda capas de laminación es entre 0,01 y 2 mm mayor que la anchura de la primera y segunda capas superconductoras a alta temperatura.
    11. El método de las reivindicaciones 8-10, que comprende proporcionar dicho segundo inserto superconductor, en donde la segunda capa superior eléctricamente conductora se fija a la primera superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o una soldadura, la cuarta capa superior eléctricamente conductora se fija a la segunda superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o una soldadura, la primera laminación se fija a la primera capa superior eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o una soldadura, y la segunda laminación se fija a la segunda capa superior eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o una soldadura, y en donde el primer y segundo filetes se conforman a partir de una resina epoxi o una soldadura.
    12. El método de las reivindicaciones 8-11, que comprende proporcionar dicho segundo inserto superconductor, que incluye además reutilizar el primer y segundo sustratos texturizados biaxialmente retirados de la primera y segunda capas superconductoras para producir dos insertos superconductores que tienen cada uno una capa superconductora a alta temperatura con una superficie superpuesta a, y en contacto directo con, uno del primer y segundo sustratos texturizados biaxialmente retirados.
    13. El método de la reivindicación 8, que comprende dicha fijación de una segunda capa de laminación a una segunda superficie de la capa estabilizadora, en donde la primera capa superconductora a alta temperatura comprende un óxido de cobre-metal alcalinotérreo--tierras raras, en donde el sustrato texturizado biaxialmente comprende una de entre una aleación Hastelloy o una aleación de níquel; en donde el sustrato texturizado biaxialmente comprende además al menos una capa intermedia, en donde la primera y segunda capas superiores eléctricamente conductoras comprenden cada una plata una aleación de plata o una capa de plata y una capa de cobre, y en donde la capa estabilizadora comprende un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro.
    14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8 o 13, que comprende dicha fijación de una segunda capa de laminación a una segunda superficie de la capa estabilizadora, en donde la primera y segunda capas de laminación comprenden cada una un metal seleccionado del grupo formado por aluminio, cobre, plata, níquel, hierro, acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, aleación de plata, aleación de níquel y aleación de hierro, en donde la primera y segunda capas de laminación tienen una anchura mayor que la anchura de la primera capa superconductora a alta temperatura, y en donde la anchura de la primera y segunda capas de laminación es entre 0,01 y 2 mm mayor que la anchura de la capa superconductora a alta temperatura.
    15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8 o 13-14, que comprende dicha fijación de una segunda capa de laminación a una segunda superficie de la capa estabilizadora, en donde la segunda capa superior eléctricamente conductora se fija a la primera superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o de una soldadura, la primera capa de laminación se une a la primera capa superior eléctricamente conductora por medio de una resina epoxi o una soldadura, y la segunda capa de laminación se une a la segunda superficie de la capa estabilizadora por medio de una resina epoxi o una soldadura, y en donde el primer y segundo filetes se conforman a partir de una resina epoxi o una soldadura.
    16. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8 o 13-15, comprendiendo dicha fijación una segunda capa de laminación a una segunda superficie de la capa estabilizadora, que incluye además reutilizar el sustrato texturizado biaxialmente retirado de la primera capa superconductora para producir un inserto superconductor que tiene una capa superconductora a alta temperatura con una superficie superpuesta a, y en contacto directo con, el sustrato texturizado biaxialmente retirado.
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