JP2002507824A - 超伝導テープ - Google Patents
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Abstract
Description
ものであり、その応用法を参照して説明する。しかしながら、本発明はこの特定
の分野での使用に制限されるものではないことを理解されたい。
、及び発電機を作ることが知られている。超伝導体とは、十分に低い温度におい
て、直流に対し実質上ゼロの電気抵抗を示す物質である。物質が超伝導体となる
温度は、転移又は臨界温度と呼ばれる。初期の超伝導体は、液体ヘリウムによる
冷却が必要とされる臨界温度を有していた。しかしながら、熱力学的な効率が低
かったため、これは高価であり、一般的には非経済的な構成であった。近年では
、135K程度までの臨界温度を持つ「セラミック」の超伝導体を使うことが知
られている。
較的高い熱力学的な効率及び比較的低い費用で機能できるので、特に注目されて
いる。
ある程度の電流のみ流すことができる。この「臨界」電流Icと呼ばれる電流は
、精度のために、電圧降下が1センチメートル辺り1マイクロボルトを超える前
に運ぶことができる最大の電流と定義される。
ープは銀又は銀の合金の媒体内の一つ又は多数の超伝導フィラメントを含む。超
伝導テープの主要な種類として、チューブ内粉末(Powder-in-tube)又はPiT
テープと呼ばれるものが知られている。これらのテープは、超伝導酸化物又はそ
の先駆物質が粉末形状で充填されている銀又は銀の合金のチューブを、引き伸ば
し又はそうでなければ圧縮し、作られる。チューブはまた、圧延され又はさもな
ければ薄いテープに形作られる。
内の充填されたチューブを、圧縮の中間段階でグループ化することにより作られ
る。
ス、ストロンチウム、カルシウム、及び銅の化合物である。必要に応じて、いく
つかの制限付きの置換を行ってもよい。Bi−2223はまた、銅を含む塩(cup
rate salt)としても考えられる。
が2mmと5mmの間である。超伝導フィラメントは、十分な臨界電流を取得す
るため、薄い必要があり、その厚さは典型的にはおよそ10から40マイクロメ
ートルである。さらに、典型的なフィラメントは、少なくとも1:10の縦横比
を有する。
の細粒はできるだけ同じ結晶学上の方向に整列されるべきである。この相対的な
方向は、細粒の配列又は「基本的構造」(texture)としてしばしば参照される 。基本的構造がしっかりしたフィラメントは、高い臨界電流を可能にし、テープ
全体に全体的な柔軟性を持たせる。もしフィラメントが厚すぎれば、テープの比
較的大きな曲げ半径において品質が下がる。
反転可能曲げ半径によって測定できる。反転可能曲げ半径は、変形していないテ
ープで測定される臨界電流Icに比べ、臨界電流Icが5%以上低くなる最大の
曲げ半径と定義されてもよい。
れる他の基準に、臨界電流密度Jc及び工学電流密度Jeがある。臨界電流密度
Jcは、Jc=Ic/Ascとして定義され、ここでAscはテープの断面にお
ける超伝導体の面積である。また、工学電流密度Jeは、Je=Ic/Atap e として定義され、ここでAtapeは、テープの合計断面積である。Jc及び
Jeが高ければ高いほどよい。超伝導体の断面積とテープ全体の断面積との比率
は、充填係数(Fill Factor)と呼ばれ、FF=Je/Jcと導き出せる。
通常の金属電導体が示す損失よりは少ないが、ゼロではない電力損失を示す。こ
の直流の代わりに交流を運ぶ結果としての電力損失は、「AC損失」と呼ばれる
。
ンペアの二乗の桁であってもよい。これらのテープから最大の性能を達成するに
は、AC損失を最小化する必要がある。これは特に、電流負荷が高い超伝導ケー
ブルなどにテープが使われる時に当てはまる。
。これらの巻きテープは一般的には金属であり、より一般的には銀である。
。もし、このように巻かれたスタックが圧延されると、この間隙又は重複がフィ
ラメントの中によじれを生じさせ、局地的な細粒の配列を破壊し、全体の臨界電
流密度Jcの低下を招く。
の一つ又はそれ以上を克服又は相当に改善すること又は、少なくとも実用的な代
替案を提供することである。
テープは、複数の積み重ねられ拡散結合された超伝導モノフィラメント又はマル
チフィラメントテープを含み、全ての引き伸ばされた部品が長手方向に伸びる。
薄くて広いフィラメント構造を持つテープを達成する。これは特に、高い臨界電
流密度のために望ましい。
必要なだけの薄さであり、テープの充填係数は約40%である。
のみを含む。複合テープは、露出された主表面を持ち、この主表面は、構成要素
であるテープの、隣の表面に隣接していない表面によって定義される。より好適
には、複合テープの露出した主表面が、金属によって被覆される。また、より好
適には、テープは銀又は銀の合金である。他の実施形態では、銀以外の金属テー
プが用いられる。
とも10μm離れている。より好適には、薄い金属テープが使われ、不要な量の
銀を複合テープの他の部分に組み入れることなく、上述の形式を達成できるよう
にする。
すると、複合テープのいくつかはその使用法において、露出した主表面の一つが
常に凸状になり、対向する露出した主表面が常に凹状になるように、常に一つの
方向に曲げられるように企図される。このような場合、金属テープが凸状の主表
面に取付けられる。より好適には、凹状になる主な辺が、金属テープを含まない
、又は第一の金属テープよりも弱い第二の金属テープを含む。実施形態のいくつ
かでは、強いテープが銀の合金のテープであり、弱いテープが純粋な銀のテープ
である。他の実施形態では、テープの厚さが異なる。
い幅を有する。実施形態のいくつかでは、金属テープの幅は超伝導テープの幅よ
りも狭い。更なる実施形態では、広い金属テープが使われ、このテープは、溝部
分に曲げられ又は後に溝部分に曲げられた状態になる。後者の構成は、構造的な
利点を有するが、充填係数に悪影響を及ぼす。他の実施形態では、スタックの周
りに巻かれ、長手方向に伸びる銀箔又は他の適合性のある物質を用いる。
はそれ以上の平行に隣接したスタックに積み重ねられる、後者は通常、一つのス
タックから他のスタックへと架橋するための、一つ又は二つの完全な幅の金属テ
ープを必要とする。しかしながら、いくつかの実施形態では、この架橋は、一つ
又は二つの完全な幅の超伝導テープによって達成される。正確に二つの平行なス
タックを含む構造は、予備実験から、優秀なAC損失特性を持つと思われる。
拡散結合は、複数のテープの表面と表面を組み合わせ、金属間の拡散が起きるよ
うな温度で熱処理することにより得られる。しかしながら、この温度を厳しく制
御し、超伝導物質への有害な影響を最小限にすべきであることが知られている。
的なBSCCO−2223の構成を持っていた場合、結合温度は842℃を超え
るべきではなく、有害な第二段階のすばやい形成が起きる780℃程度も避けら
れるべきである。この例では、好適な結合温度は、815℃から825℃の範囲
内にある。
を避けるため、不活性雰囲気下又は真空下で行われる。十分な結合を達成するた
めには数時間の拡散時間が必要とされるが、長い拡散時間は超伝導体物質の焼結
を多く生じさせるため、長すぎる拡散時間を避けることが好適である。
、結合を強める。
の方法は、複数の構成要素であるモノフィラメント又はマルチフィラメント超伝
導テープを一つに積み重ねるステップと、超伝導テープのスタックを熱処理し拡
散結合を促すステップと、拡散結合されたスタックを圧延するステップと、を含
む。
を通じて、「含む」、「含まれる」などの言葉は、排他的又は網羅的な意味を持
つものではなく、含有するという意味で解釈される。すなわち、「これに制限さ
れないがこれを含む」という意味に解釈される。
.27mmの厚さを有し、例えば、九つの積み重ねられたモノフィラメントテー
プ2を一つに結合して備える。各モノフィラメントテープ2は、既知の超伝導テ
ープ同様、例えばBSCCO−2223などの超伝導物質のフィラメント5を、
銀/銀の合金のクラッディング7(cladding)内に備える。典型的には(図示す
る最終製品では)、個々のモノフィラメントテープ2の各々が30μmの厚さを
有し、フィラメント5自体は、10から25μmの典型的な厚さを有する。
作る必要がある。モノフィラメントテープ2は、まずBSCCO−2223酸化
物の粉末(又は、より一般的には、BSCCO−2223構造に熱処理により変
換できる先駆物質)を、内部直径が約8mmで外部直径が約10mmの銀又は銀
の合金のチューブであって、洗浄され乾燥したチューブに詰め込み、作られる。
銀のチューブの長さによるが、チューブの一端の4cmから6cmの長さがスエ
ージ加工され、詰め込み工程での粉末の損失を防ぐために、スエージ加工された
端の先端が小さなスエージ加工の打ち型によって閉じられる。スエージ加工の後
、チューブはまた乾燥させられる。次に、準備されたチューブに、グローブボッ
クス内の乾燥したアルゴンの下で、注意深く超伝導粉末(先駆物質)が充填され
る。粉末は、チューブが満たされるまで、一度に少量づつ足され、銀の棒で突き
固められる。チューブが満たされるとチューブは、銀のテープの栓を使い閉じら
れる。チューブに超伝導粉末が詰め込まれ、チューブの封がなされた後、チュー
ブを冷却したオーブンに空気中に配置し、830℃に温度を上げ、この温度を5
時間保持することにより、チューブは脱気される。チューブは次にいくつかの段
階で、約1.54mmの直径まで引き伸ばされる。引き伸ばしは23のステップ
にて行われ、各ステップにおいてチューブの断面積が約15%減らされる。引き
伸ばしの間にチューブは、直径がそれぞれ2.51mmと1.96mmの時に3
0秒から60秒間、500℃で二回アニールされる。
より小さな厚さへと、1.05mm、0.80mm、0.65mm、0.50m
m、0.40mm、0.35mm、0.30mm、0.25mm、0.22mm
の圧延間隙を使い圧延される。この段階で、厚さ0.65mmの時及び0.35
mmの時に500℃で30秒から60秒間、二回アニールされる。
れる。テープ2のスタック6は、セラミック物質の形成機上で、巻かれる(巻き
回数の結合を防ぐために、セラミック紙のストリップが挟み込まれる)。テープ
2は次に、約5時間820℃で加熱され、拡散結合を促され、次に室温に冷却さ
れた後、いくつかの段階によって0.30mmまで圧延される。この段階では、
1.50mm、1.30mm、1.10mm、0.95mm、0.80mm、0
.65mm、0.55mm、0.45mm、0.40mm、0.35mm、0.
30mmの圧延間隙が使われ、前述と同じ条件下で、1.10mm及び0.65
mmの段階でアニールされる。
され、その温度に50時間保持され、室温に冷却され、同じ圧延機において、0
.27mmの圧延間隙で圧延される。最後に、テープ1は、冷却されたオーブン
から始まり、7.5%の酸素を含む窒素の雰囲気下で825℃まで加熱され、そ
の温度に40時間保持され、更に40時間かけて785℃まで冷却されることに
より熱処理される。この熱処理様式は、溶解又は超伝導物質の大きな体積の分割
の危険性無しに、テープを固め、基本的構造を完成させ、先駆物質を望まれるB
SCCO−2223相に変換するよう働く。
.3mmの間の最終的な厚さを使った。しかしながら、それ以上又はそれ以下の
数のテープを使うことができ、また厚さを、例えば高負荷の電流を流すケーブル
などの複合超伝導テープ1の応用法、その厚さ、後続の圧延の程度、及び関連す
る(しかし衝突しない)容量及び柔軟性の必要性などに応じて変化させることも
できる。大半の場合では、厚さと圧延圧縮とのバランスは、一般的には、フィラ
メントの厚さが10から40μmの範囲になるよう、より好適にはその範囲の下
限に近くなるようにすべきである。
マグネシウムを含む銀の合金のテープの外部層3及び4を二つの外側の超伝導テ
ープに結合させ備える。この場合、約0.22mmの厚さの銀又は銀の合金の外
部層3及び4は、焼結及び圧延処理の前にモノフィラメントテープ2のスタック
6の上に配置され、これらの処理の終わりには、約25μmの厚さを有する。
気)のインターフェースと銀のクラッディング7の最も外側の銀又は銀の合金/
超伝導体のインターフェースとの間の距離が、約10マイクロメートルよりも低
くなると、超伝導物質のテープ表面への拡散が、焼結処理の際に起き、臨界電流
密度を低減させる。この場合、追加の銀/銀の合金の層を配置することによりt 0 の値を実質的に増加させることができ、この拡散効果を取り除くことができる
。
もし外部層の物質が、超伝導体テープよりも高い熱膨張係数を持つよう選択され
れば、焼結処理後にフィラメントを圧縮応力下に置き、これは高い曲げ及び張力
応力の耐性に有益である。これに加え、比較的強いテープ(例えば銀の合金のテ
ープ)を複合テープの一つの側に使い、複合テープの他の側に比較的弱いテープ
(例えば同様の厚さ又は、より薄い厚さの純正の銀)を使う又は場合によっては
何も使わないことにより、湾曲中性平面を幾何学上の中間平面から、強いテープ
の方へと移動させることもできる。この結果、強いテープ(又はテープが一つの
時はそのテープ)の側が凸状になるような方向にテープが曲げられた時に、大半
のフィラメントが圧縮応力下に置かれ、これは引張り応力よりも害が少ない。多
くの応用法においては、テープは全体的に一つの方向に曲げられるので、これは
有効である。
図4及び図5に示す。前述の実施形態同様、外部層13及び14は、銀及び/又
は銀の合金のいずれであってもよく、又は外部層は望まれるならば、倍の幅の超
伝導テープであってもよい。モノフィラメントテープ12が二つ又はそれ以上の
行15に積み重ねられ、次に層12、13、及び14が、第一の実施形態につい
て説明したものと同様の方法で、結合され更に処理される。予備実験によって、
この行の構造が、同等の単一行のテープよりも低いAC損失を有することが示さ
れており、これはおそらく、フィラメントが行を横切って減結合するからだと思
われる。テープの端を平らにし(トリミング又は他の方法によって)、行の間に
隙間を作り出す危険性を最小にすることが望まれる場合もある。
外部金属テープ17及び18を含む。マルチフィラメント超伝導テープは、必要
な数のモノフィラメントテープを束ね、それを他の銀又は銀の合金のチューブに
入れ、小さな大きさのワイヤに引き伸ばし、第一の実施形態について説明したも
のと同様の手続きで、平坦なテープに圧延することにより作られる。
マルチフィラメントテープもまた、積み重ねられ結合されることができ、銀/銀
の合金の外部層と共に又は外部層無しに提供できる。
式で実施できることは明らかであろう。
、図1のテープに対応し更に単一の外部金属テープが追加されたものを示す。
のテープに対応し、二つの外部テープが追加されたものを示す。
る本発明の複数列の複合超伝導テープの断面を示す。
る本発明の複数列の複合超伝導テープの断面を示す。
のマルチフィラメント超伝導テープ及び二つの外部金属テープを有するものを示
す。
テープは、複数の積み重ねられ拡散結合された超伝導テープを含み、全ての引き 延ばされた部品が長手方向に伸び、適合性のある金属テープが、少なくとも一つ の露出した主表面に結合されている。
方法は、複数の構成要素であるモノフィラメント又はマルチフィラメント超伝導
テープを一つに積み重ねるステップと、超伝導テープのスタックを熱処理し拡散
結合を促すステップと、拡散結合されたスタックを圧延するステップと、適合性 のある金属テープを少なくとも一つの主表面に結合させるステップと、 を含む。 本発明のその他の態様によれば、各々が少なくとも一つの主表面を備える複数 の引き延ばされた超伝導テープを含む複合超伝導テープが提供され、この複合超 伝導テープは、複数の超伝導テープが拡散結合されたスタックであって、全ての 引き延ばされた部品が長手方向に延び、主表面の少なくとも一つが露出されたス タックと、露出された主表面に結合される、適合性のある金属テープと、を含む 。 好適には、複数の超伝導テープの各々が、少なくとも一つの超伝導フィラメン トと、主に銀から成る外部囲いであってフィラメントを含有し主表面を定義する ための外部囲いと、を備え、金属テープが、少なくとも一つの露出された主表面 に隣接するための第一の表面と、第一の表面に対向する第二の表面と、を有する 。より好適には、金属テープは銀であり、第二表面と、隣接する超伝導テープの 最も近いフィラメントとの間の距離が少なくとも10μmである。 また、好適には、スタックが第二の露出された主表面を備え、複合超伝導テー プが、第二の露出された主表面に結合される第二の適合性のある金属テープを備 える。より好適には金属テープが、少なくとも一つの特性において異なる。より 好適には、この異なる特性は、厚さ、強さ、剛性、幅、及び熱膨張係数から成る 集合から選択される。 好適な形では、複合超伝導テープは、複数の超伝導テープを備える第二の拡散 結合されたスタックを含み、二つのスタックが実質的に平行な構造に保持される 。 好適には金属テープは露出した主表面に拡散結合される。
Claims (12)
- 【請求項1】 複合超伝導テープであって、複数の積み重ねられ拡散結合さ
れた超伝導テープを含み、全ての引延ばされた部品が長手方向に伸びることを特
徴とする複合超伝導テープ。 - 【請求項2】 請求項1に記載の複合超伝導テープであって、実質的に構成
要素である超伝導テープのみを含むことを特徴とする複合超伝導テープ。 - 【請求項3】 請求項1に記載の複合超伝導テープであって、適合性のある
金属テープを少なくとも一つの露出した主表面に含むことを特徴とする複合超伝
導テープ。 - 【請求項4】 請求項3に記載の複合超伝導テープであって、前記金属テー
プが銀であり、金属テープの露出した表面と超伝導フィラメントのいずれとの間
にも少なくとも10μmの厚さの銀を確立するよう機能することを特徴とする複
合超伝導テープ。 - 【請求項5】 請求項3又は請求項4に記載の複合超伝導テープであって、
二つの露出した主表面に、異なる強さの適合性のある金属テープを有することを
特徴とする複合超伝導テープ。 - 【請求項6】 請求項3から5のいずれかに記載の複合超伝導テープであっ
て、構成要素であるテープが少なくとも二つの平行なスタックに積み重ねられて
いることを特徴とする複合超伝導テープ。 - 【請求項7】 複合超伝導テープであって、付随する図面に示す本発明の実
施形態のいずれかを参照してここに実質的に説明されることを特徴とする複合超
伝導テープ。 - 【請求項8】 複合超伝導テープを作る方法であって、 複数の構成要素であるモノフィラメント又はマルチフィラメント超伝導テープ
を積み重ねるステップと、 超伝導テープのスタックを熱処理し拡散結合を促進するステップと、 拡散結合したスタックを圧延するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項9】 請求項8に記載の方法であって、更に、スタックの少なくと
も一つの端に、適合性のある金属テープを追加するステップを含むことを特徴と
する方法。 - 【請求項10】 請求項8に記載の方法であって、更に、スタックの対向す
る端に異なる強さの金属テープを追加するステップを含むことを特徴とする方法
。 - 【請求項11】 請求項8から10のいずれかに記載の方法であって、更に
、構成要素であるテープを少なくとも二つの平行なスタックに組み立てるステッ
プを含むことを特徴とする方法。 - 【請求項12】 マルチフィラメント超伝導テープを作る方法であって、付
随する図面に開示された本発明の実施形態のいずれかを参照してここに実質的に
説明されることを特徴とする方法。
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