JP2003517700A - 超伝導テープ - Google Patents

超伝導テープ

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Abstract

(57)【要約】 合成超伝導テープ（１）は、少なくとも１枚の成分超伝導テープ（２）（このようなテープを複数枚積層し、接合したものが好適）と、金属テープからなる少なくとも１枚の外面層（３）とからなる。外面層（３）は露出された主要面の一つの上に配設されてこれに結合される。このような金属テープ（３）、（４）が２枚ある場合は、それぞれの強度が異なる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、超伝導テープに関し、特に、合成超伝導テープに関する。
【０００２】 本発明は主に、高負荷電流伝達ケーブルと共に使用するために開発されたもの
であり、以後、この適用を参照して本発明を説明する。しかし、本発明はこの使
用にのみ限定されるものではなく、電流伝達ケーブルと同様、コイル、磁石、変
圧器、モータ、発電機にも適用できることが分かる。
【０００３】 （背景技術） 超伝導テープと呼ばれる、超伝導物質からなるテープは既知である。これらの
テープは通常、１本以上の超伝導フィラメントを銀または銀合金の媒体の内部（
表面の場合もある）に含む。超伝導テープの主要な種類の一つにパウダインチュ
ーブ（ＰｉＴ）テープがある。このＰｉＴテープは、超伝導物質の粉末を充填し
た銀または銀合金のチューブを引き伸ばして、または圧縮して、製作されること
は既知である。このチューブは通常、更に引き伸ばしと圧延を行うか、細いチュ
ーブに成形する。
【０００４】 多フィラメントテープ（multifilamentary tapes）は多くの場合、一般的な銀
または銀合金鎧装中の充填チューブを、圧縮処理中に、グループ分けして形成す
る。
【０００５】 合成パウダインチューブテープは、個々のテープを積層し、接合して製作する
こともある。この接合は、テープ巻き付けや拡散接合によって行うこともある。
テープの成分は全て縦長である。
【０００６】 ＢＳＣＣＯ−２２２３として知られる重要な超伝導酸化物がある。これは、ビ
スマスと、ストロンチウムと、カルシウムと、銅との化合物である。この化合物
を限定的に代替できることは既知である。また、この化合物は、銅酸化物塩（cu
prate salt）であると考えられる。
【０００７】 テープを用いて、直流電流ではなく、交流電流を伝達する場合、この超伝導テ
ープは電力損失が零（ゼロパワーロス）を示すわけではないが、通常の金属導線
を用いた場合の損失と比較すると、テープを用いた場合の損失は小さい。直流電
力ではなく交流電力を伝達することに因るこの電力損失は「ＡＣ損失」と呼ばれ
る。個々のテープのＡＣ損失は、約１００（μＷ／ｍ／臨界電流の２乗Ａ）であ
る。
【０００８】 超伝導テープのＡＣ損失および多様なその他の特性は、機械的ストレス、特に
張力の悪影響を受ける。これは、テープをケーブル内に形成した場合に起きるよ
うな、テープを曲げることによって生じる問題である。つまり、テープは通常、
巻型に螺旋状に巻かれている。同様の問題は、コイル形成等といったこれ以外の
適用でも生じる。
【０００９】 したがって、本発明の目的は、少なくとも実施の形態において、従来技術が有
する問題を一つ以上解決または実質的に改良することである。
【００１０】 （発明の開示） 本発明の第一態様によると、第一主要外面と、第一主要外面とは離れた第二主
要外面とを有する合成超伝導テープを提供する。このテープは、少なくとも１つ
の成分超伝導テープと、前記第一外面上に設けられてこれと接合される少なくと
も１つの第一金属テープとを有し、これによって、第一金属テープの屈曲に因る
張力が、前記第二外面に接合された任意物質の屈曲に因る圧縮力よりも大きくな
ることを特徴とする。
【００１１】 この合成テープは、第一金属テープが凸状外面を含むように、巻型に螺旋状に
巻き付けられることが好適である。
【００１２】 本発明の第二態様によると、第一主要外面と、第一主要外面とは離れた第二主
要外面とを有する合成超伝導テープを提供する。このテープは、少なくとも１つ
の成分超伝導テープと、前記第一外面上に設けられて、これに接合される少なく
とも１つの金属テープとを有し、これによって、前記第一主要外面が凸状になる
ように前記合成超伝導テープを屈曲することで、前記少なくとも１つの成分超伝
導テープが実質的に圧縮力を受けることを特徴とする。
【００１３】 この合成超伝導テープは、積層され接合された複数の成分超合金テープを含む
ことが好適である。この合成テープは、前記第二外面上に設けられてこれに接合
された第二金属テープを含むことが更に好適である。
【００１４】 使用において、合成テープは、第一主要外面が凸状になり、第二主要外面が凹
状になるように、巻型に同じ方向に巻かれることが好適である。さらに、第一金
属テープは銀合金から作られ、第二金属テープは純銀から作られることが好適で
ある。しかし他の実施形態では、双方の金属テープは同じ物質から作られ、第一
テープが第二テープよりも厚い。
【００１５】 第一金属テープは平坦であり、その幅は実質的に超伝導テープの幅以上ではな
いことが好適である。しかし他の実施形態では、金属テープの幅は超伝導テープ
の幅よりわずかに狭い。さらに別の実施形態では、第一テープは超伝導テープよ
りも幅が広い。この場合、金属テープの突出した端部が屈曲して、チャネル部分
を形成することが好適である。これは構造的な利点を有するが、充填比には悪影
響を及ぼすことが分かるであろう。
【００１６】 銀ホイルや、これに匹敵する他の物質を用いてスタックの周りを包み、長手方
向に延在させる実施形態もある。
【００１７】 多数の成分テープを有する実施形態では、これらのテープを一つのスタックに
積み上げることが好適である。しかし他の実施形態では、これらのテープを隣接
した２個以上の並行なスタックに積み上げる。後者の構造の場合、１または２つ
のフル幅金属テープまたは超伝導テープを含み、これによって、隣接するスタッ
ク間をつなぐことが好適である。予備実験によると、厳密に２個の並行なスタッ
クを有するこれらの構造は優越したＡＣ損失特性を示す。
【００１８】 本発明の他の態様によれば、少なくとも１つの成分パウダインチューブ超伝導
テープと、その主要露出面上に設けられてこれと接合する金属テープによる少な
くとも１つの外面層とを有する。ただし、このような金属テープが２つある場合
は、それぞれの強度が異なる。
【００１９】 積層され、接合された成分超伝導テープが複数あることが好適である。
【００２０】 金属テープまたは、２つある場合はより強い金属テープが凸側になるように、
使用しなけらばならない。例えば、より強いテープは銀合金テープであり、より
弱いテープは純銀テープである。あるいは、双方のテープの厚みが異なってもよ
い。
【００２１】 このような金属テープは平坦であり、その幅は実質的に超伝導テープの幅以上
ではない（僅かに狭いかもしれない）ことが好適である。しかし、所望であれば
、より幅の広い金属テープを用いることもできる。この場合、このテープはチャ
ネル部分に向けて屈曲する。これは構造的な利点を有するが、充填比には悪影響
を及ぼすであろう。同様に、銀ホイル（または、これに匹敵する他の物質）を用
いてスタックを包み、長手方向に延在させることもできるが、現在は、特に、有
益である以上の銀が常に成分テープの端部にたまりやすいので、不必要で望まし
くないと見なされている。複数の成分テープがある場合、これらを一つまたは二
つ以上の隣接した並行なスタックに積層してもよい。後者の場合、通常は１つま
たは２つのフル幅金属テープ（所望であれば、超伝導テープ）を用いて、隣接し
た束をつなぐことが必要である。予備実験によれば、厳密に２個の並行するスタ
ックを有するこれらの構造は優越したＡＣ損失特性を示す。
【００２２】 文脈によって特に規定していない場合は、本明細書および請求項において、「
有する」またはこれに類する用語は、「排他的」に対する「包含的」な意味で使
用する。つまり、「有するが、これに限定されるものではない」という意味であ
る。
【００２３】 （発明を実施するための最良の形態） 図１に示す超伝導テープ１は、４〜５．５ｍｍの幅と、約０．２７ｍｍの厚み
を有し、例えば、８枚の積層フィラメントテープ２と、銀テープ３とを有する。
これらのテープは全て接合されている。各単フィラメントテープ２は、銀／銀合
金グラッディング７に内蔵された超伝導物質（例えばＢＳＣＣＯ−２２２３）の
フィラメント５を有し、超伝導テープとして周知である。通常（図示されたよう
な完成品においては）、各単フィラメントテープ２は３５〜４０μｍの厚みを有
し、フィラメント５自身は１０〜２０μｍの範囲の厚みを有する。
【００２４】 超伝導テープ１を製造するために、必要な数の単フィラメントテープ２を製造
しなくてはならない。単フィラメントテープ２を製造するために、まず、ＢＳＣ
ＣＯ−２２２３酸化粉末（または、熱処理によってＢＳＣＣＯ−２２２３合成物
に変換可能な先駆物質である場合が多い）を、清潔で乾いた銀または銀合金のチ
ューブに充填する。この銀または銀合金チューブは約８ｍｍの内径と、約１０ｍ
ｍの外径を有する。銀チューブの長さに応じて、チューブの一端部の４ｃｍ〜６
ｃｍの部分を打ち伸ばし、打ち伸ばした部分の先端をより小さな打ち伸ばし型で
閉じる。これによって、詰め込み作業中の粉末の損失を防ぐ。打ち伸ばし作業後
、チューブを再び乾燥する。こうして製造されたチューブに、グローブボックス
中で、注意深く超伝導粉末（先駆物質）を乾燥アルゴン下で充填する。この粉末
を充填する際には一度に少量を加え、チューブが充填されるまで、銀ロッドで詰
め込む。チューブが充填された時点で、銀テープのプラグを用いてチューブを閉
じる。チューブに超伝導粉末を充填し密閉した後、このチューブを脱気する。こ
れは、チューブをまず冷たいオーブンに入れた後、空気中で８３０℃まで加熱し
、その温度で５時間維持することで行う。次に、チューブの径が約１．５４ｍｍ
になるまで段階的にチューブを引き伸ばす。この引き延ばしは２３ステップで行
われる。各ステップにおいて、チューブの断面積を約１５％圧縮する。引き延ば
し中に５００℃で３０〜６０秒間チューブを２回焼鈍する。この時のチューブ径
はそれぞれ２．５１ｍｍ、１．９６ｍｍである。
【００２５】 １．５４ｍｍのワイヤを段階的に圧延機で圧延して、連続的に厚みを薄くする
。この時、１．０５、０．８０、０．６５、０．５０、０．４０、０．３５、０
．３０、０．２５、０．２２ｍｍのロールギャップを用いて行う。また、０．６
５ｍｍと０．３５ｍｍの時点で、５００℃で３０〜６０秒の間２回焼鈍する。
【００２６】 図１および図２に示すように、テープ２を均等な９本の断片に切り分けて積層
し、０．２２ｍｍ厚の銀テープを更に積層する。このスタックをセラミック物質
の型に巻き付ける（セラミックペーパー片を間に挟み、巻き同士の付着を防止す
る）。次に、巻き組立体を８２０℃で約５時間加熱して拡散接合させ、室温まで
冷却した後、０．３０ｍｍまで段階的に圧延する。この時、１．５０，０．９５
，０．８０，０．６５，０．５５，０．４５，０．４０，０．３５，０．３０ｍ
ｍの連続したロールギャップを用いて行う。また、１．１０ｍｍおよび０．６５
ｍｍの時点で、前記条件と同様の条件下で焼鈍する。
【００２７】 得られた合成テープ１を、最初は冷えたオーブン内にいれ、空気中で８４０℃
まで加熱し、この温度で５０時間維持した後に室温まで冷却し、０．２７ｍｍの
ロールギャップを用いて、同じミルで一度圧延する。最後に、７．５％酸素バラ
ンス窒素の雰囲気下で加熱処理する。この時、冷たいオーブンから始めて８２５
℃まで加熱し、この温度で４０時間維持した後に、更に４０時間以上かけて７８
５℃まで冷却する。この加熱処理期間によって、超伝導物質の大くを溶解する危
険なく、先駆物質を強化し、テクスチャ形成を完成して、所望のＢＳＣＣＯ−２
２２３相にする。
【００２８】 比較的強固な金属テープ３は、屈曲中立面（flexural neutral plane）を、幾
何学的中央面から自らに向けて引き寄せて、その位置をずらす。この結果、金属
テープ側が凸状になるようにテープを曲げた場合、多くのフィラメントに圧縮力
が加わる。これは張力ほど有害ではない。
【００２９】 図２に示すテープもほぼ同様であるが、１枚の主要面上に銀の外層３を、反対
の面上に銀合金（通常は、０．２％のマグネシウムを含む銀）の外層４を、それ
ぞれ有する。これらの各層は、単フィラメントテープ２のスタック６上に配置し
た時点では約０．２２ｍｍの厚みを有し、処理終了時点では約２５μｍの厚みを
有する。この場合、屈曲中立面は、より強固な合金テープ４に向かって引き寄せ
られる。このテープは、下面が（引き伸ばされて）凸状になるように使用しなけ
ればならない。
【００３０】 図３および図４は、それぞれ図１および図２に示すテープの代替デザインを示
すが、成分超伝導テープ２が２つの列８に配置されている点が異なる。予備実験
によると、この列構造は、相応の単列テープより低いＡＣ損失を呈することが分
かる。恐らく、スタック内でフィラメントが分離しているためであろう。テープ
の端部を（トリミング等によって）四角にして、列間に隙間を作る危険を最小限
にすることが望ましい。
【００３１】 図５に示すテープは、２本の多フィラメント超伝導テープ９と、２本の外面金
属テープ１０，１１とを有する。多フィラメント超伝導テープ９を製造するため
に、図１のテープについて説明した手順と同様の手順で、必要な数の単フィラメ
ントワイヤを束ねて、他の銀または銀合金チューブに詰め、引き伸ばしてより細
いワイヤにし、圧延して平面テープにする。
【００３２】 図６は、本発明の合成超伝導テープの臨界電流と、公称曲げひずみ（nominal
bending strain）とを示す。この実施形態の合成超伝導テープは、５本の単フィ
ラメントテープと、１本の外面Ａｇテープと、１本の外面Ａｇ−Ｍｇ合金テープ
とからなる。公称屈曲ひずみε（％）は、次の式で計算される。
【００３３】 ε（％）＝t／（２Ｒ＋t） ただし、tは合成テープ厚であり、Ｒは屈曲湾曲の半径である。Ｉｃｏは焼結状
態の合成テープの臨界電流であり、Ｉｃは屈曲後の合成テープの臨界電流である
。図６の曲線Ａは、より強固なＡｇ−Ｍｇ合金テープが設けられた側が凸状にな
るようにテープが屈曲した場合のＩｃ対ε（％）を示す。曲線Ｂは、より脆弱な
Ａｇテープが設けられた側が凸状になるようにテープが屈曲した場合のＩｃ対ε
（％）を示す。
【００３４】 図７は、本発明に係るテープの屈曲ひずみ許容度に関する別の例を示す。曲線
Ｃは、２本の多フィラメント超伝導テープと、２本の外面Ａｇテープを有する合
成超伝導テープのＩｃ対ε（％）関係を示す。曲線Ｄは、２本の多フィラメント
超伝導テープと、２本のＡｇ−Ｍg合金テープとを有する合成超伝導テープのＩ
ｃ対ε（％）関係を示す。曲線Ｅは、２本の多フィラメント超伝導テープと、１
本の外面Ａｇテープと、１本の外面Ａｇ−Ｍｇ合金テープとを有するテープが、
Ａｇテープが設けられた側が凸状になるように屈曲した場合の合成超伝導テープ
のＩｃ対ε（％）関係を示す。曲線Ｆは、曲線Ｅと同様であるが、Ａｇ−Ｍｇ合
金テープが設けられた側が凸状になるようにテープが屈曲した場合の合成超伝導
テープのＩｃ対ε（％）関係を示す。
【００３５】 図６および図７に示すデータは、凸状になる側により強固な外面金属テープが
設けられた合成テープの屈曲ひずみ寛容度が際立って改善される、という本発明
の請求項を強力に支持する。
【００３６】 所望であれば、フィラメント数やピッチ、およびあるいはまたは捻れ向きや方
向等を変えて捻った（あるいは捻っていない）多フィラメントテープを用いて、
本発明に係る合成テープを製造することもできる。
【００３７】 特定の例を参照して本発明を説明したが、当業者においては、本発明が他の多
くの形状で実施できることが分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 １枚の金属テープを有する、本発明に係る合成超合金テープを示
す断面図である。
【図２】 ２枚の金属テープを有する、本発明に係る他の合成超合金テープ
を示す断面図である。
【図３】 １枚の金属テープを有する、本発明に係る多列合成超合金テープ
を示す図である。
【図４】 ２枚の金属テープを有する、本発明に係る他の多列合成超合金テ
ープを示す図である。
【図５】 ２枚の多フィラメントテープと、２枚の外面金属テープとを有す
る、本発明に係る合成超合金テープを示す図である。
【図６】 本発明に係る超伝導テープの臨界電流への影響を、凹側または凸
側のいずれかに設けた合金に対する公称屈曲ひずみの関数として示すグラフであ
る。
【図７】 本発明に係る超伝導テープの臨界電流への影響を、本発明の実施
形態の公称屈曲ひずみの関数として示すグラフである。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年５月３日（２０００．５．３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】 （発明の開示） 本発明の一態様によると、一対の露出対向主要面を有する少なくとも１つの成
分超伝導テープと、前記成分超伝導テープの露出主要面の一方の上に配設されこ
れと接合する金属テープからなる少なくとも１つの外面層を有する合成超伝導テ
ープを提供する。このテープは、前記主要面に接合された係る金属テープが２つ
ある場合、前記少なくとも１つの成分超伝導テープの屈曲中立面の位置を選択的
にずらすために、前記２つの金属テープの通常の強度特性が異なることを特徴と
する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】 本発明の他の態様によると、２つの露出対向主要面と、前記主要面の間に延設
された２つの対向端部と、前記主要平面の間に実質的に平行に延設された屈曲中
立面とを有する、少なくとも１つの成分超伝導テープと、前記露出主要面の第一
面に接合され、前記第一主要面から離れる方向または接近する方向に前記屈曲中
立面の位置を選択的にずらす、金属テープの外面層と、を有することを特徴とす
る合成超伝導テープを提供する。この合成テープは、第一金属テープが凸状の外
面を有するように、巻型上に螺旋状に巻かれることが好適である。本発明の好適
な実施形態によれば、第一主要外面と、第一主要外面とは離れた第二主要外面と
を有する合成超伝導テープを提供する。この合成テープは、第一金属テープが凸
状外面を含むように、巻型に螺旋状に巻き付けられることが好適である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】 本発明の好適な実施形態によれば、第一主要外面と、第一主要外面とは離れた
第二主要外面とを有する合成超伝導テープを提供する。このテープは、少なくと
も１枚の成分超伝導テープと、前記第一面上に設けられてこれと接合される少な
くとも１枚の第一金属テープとを有し、これによって、第一主要面が凸状になる
ように前記合成超伝導テープが屈曲することで、前記少なくとも１枚の成分超伝
導テープが実質的な圧縮力を受けることを特徴とする。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年５月１０日（２００１．５．１０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】 （発明の開示） 本発明の一態様によると、一対の露出対向主要面を有する少なくとも１つの成
分超伝導テープと、前記成分超伝導テープの露出主要面の一方の上に配設されこ
れと接合する金属テープからなる少なくとも１つの外面層を有する合成超伝導テ
ープを提供する。このテープは、前記主要面に接合された係る金属テープが２つ
ある場合、前記少なくとも１つの成分超伝導テープの屈曲中立面の位置を選択的
にずらすために、前記２つの金属テープの通常の強度特性が異なることを特徴と
する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】 本発明の他の態様によると、２つの露出対向主要面と、前記主要面の間に延設
された２つの対向端部と、前記主要平面の間に実質的に平行に延設された屈曲中
立面とを有する、少なくとも１つの成分超伝導テープと、前記露出主要面の第一
面に接合され、前記第一主要面から離れる方向または接近する方向に前記屈曲中
立面の位置を選択的にずらす、金属テープの外面層と、を有することを特徴とす
る合成超伝導テープを提供する。この合成テープは、第一金属テープが凸状の外
面を有するように、巻型上に螺旋状に巻かれることが好適である。本発明の好適
な実施形態によれば、第一主要外面と、第一主要外面とは離れた第二主要外面と
を有する合成超伝導テープを提供する。この合成テープは、第一金属テープが凸
状外面を含むように、巻型に螺旋状に巻き付けられることが好適である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】 本発明の好適な実施形態によれば、第一主要外面と、第一主要外面とは離れた
第二主要外面とを有する合成超伝導テープを提供する。このテープは、少なくと
も１枚の成分超伝導テープと、前記第一面上に設けられてこれと接合される少な
くとも１枚の第一金属テープとを有し、これによって、第一主要面が凸状になる
ように前記合成超伝導テープが屈曲することで、前記少なくとも１枚の成分超伝
導テープが実質的な圧縮力を受けることを特徴とする。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 合成超伝導テープであって、 少なくとも１つの成分超伝導テープと、 前記成分超伝導テープの露出主要面の一方の上に配設されてこれと接合する金
    属テープからなる少なくとも１つの外面層と、 を有し、 係る金属テープが２つある場合、前記２つの金属テープの通常の強度特性が異
    なることを特徴とする合成超伝導テープ。
  2. 【請求項２】 積層され接合された複数の成分超伝導テープを有することを
    特徴とする請求項１に記載の合成超伝導テープ。
  3. 【請求項３】 積層され接合された複数の成分超伝導テープを有し、全ての
    長形成分は長手方向に伸展することを特徴とする請求項１に記載の合成超伝導テ
    ープ。
  4. 【請求項４】 異なる組成の２つの金属テープを有することを特徴とする請
    求項１〜３のいずれかに記載の合成超伝導テープ。
  5. 【請求項５】 同じ組成であるが厚みが異なる２つの金属テープを有するこ
    とを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の合成超伝導テープ。
  6. 【請求項６】 前記成分超伝導テープが少なくとも２つの平行なスタックに
    積層されることを特徴とする請求項２に記載の合成超伝導テープ。
  7. 【請求項７】 貼付の図面に示された本発明を参照して実質的に説明した合
    成超伝導テープ。
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