JP2010520599A

JP2010520599A - 超電導テープ線材の連続製造装置

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Publication number: JP2010520599A
Application number: JP2009552597A
Authority: JP
Inventors: ヨム、ド−ジュン; ユ、ゼ−ウン; リ、ビョン−スウ; リ、サン−ム; ジョン、イェ−ヒョン; リ、ゼ−ヨン
Original assignee: コリアアドバンストインスティテュートオブサイエンスアンドテクノロジ−; スウノムカンパニーリミテッド
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: JP5314601B2; EP2118940B1; US20100107979A1; EP2118940A4; KR20080082265A; US8685166B2; KR100910613B1; WO2008108606A1; EP2118940A1; CN101627483A

Abstract

【課題】ドラムに巻き取られたテープ線材を一つのリールから異なる一つのリール側へ效果的に移送させることができる超電導テープ線材の連続製造装置を提供する。
【解決手段】本発明の超電導テープ線材の連続製造装置は、超電導物質蒸着のためのチャンバと、前記チャンバ内に設置され、超電導テープ線材を外周に巻付けて加熱するための中空の円筒形ドラムと、前記円筒形ドラムの一端部に設置され、超電導物質を蒸着する超電導テープ線材を供給するリリースリールと、前記円筒形ドラムの他端部に設置され、超電導物質の蒸着が完了した超電導テープ線材を回収する巻取りリールと、前記超電導テープ線材を前記リリースリールから前記巻取りリールまで移送させるための移送手段と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導テープ線材製造装置に係り、より詳細には、超電導テープ線材の連続移送を可能にすることによって、長い超電導テープ線材に超電導物質を蒸着させることができるようにした超電導テープ線材の連続製造装置に関する。

高温超電導体を利用した超電導応用技術の実用化に対する期待が高まると共に、高温超電導線材の開発研究が世界的に活発に行われている。高温超電導線材の製造方法には、Ａｇパイプの中に前駆体粉末を満たして加工するＰＩＴ（ＰｏｗｄｅｒＩｎＴｕｂｅ）工程に作る１世代高温超電導線材製造方法と、ＣＣ（ＣｏａｔｅｄＣｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ばれる高温超電導線材を作る２世代高温超電導線材製造方法がある。２世代高温超電導線材であるＣＣは、世界的に多くの研究機関と会社が研究開発し、製作方法が多様で１世代高温超電導線材より複雑な多層構造を有している。

１９８６年に高温超電導体が発見された後、最初に実用化に成功すると確信された製品である高温超電導線材は、既存の銅線材に比べて、単位断面積当たり１００倍の多くの電流を電力損失がほとんど無しに流すことができる。電力損失は、熱発生を起こすので、電力装置が高温に加熱される。従って、電力損失の大きい銅線材は、大容量エネルギ関連装置に活用することができない。このような大容量エネルギ関連装置は、ただ超電導線材のみで可能である。ニオブ系統の低温超電導体は、臨界温度が低くて、高価の液体ヘリウムを必要とするので経済性がない。

しかし、高温超電導線材は、空気から得られる液体窒素を使用するので経済的である。従って、高温超電導線材の実用化は、大容量エネルギ産業の新しい起源を意味する。高温超電導体が発見された当時、世界的に大きい期待を集めたが、高温超電導線材の開発は非常に困難であった。しかし、最近の技術開発の急速な進展により商用化が近づいていると思われている。商用化のために最も重要なことは、製造原価が安く、製造速度が速いことである。商用化が可能な高温超電導線材製造技術には、多くの方法がある。
すなわち、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式、ＥＤＤＣ（ＥｖａｐｏｒａｔｉｏｎｕｓｉｎｇＤｒｕｍｉｎＤｕａｌＣｈａｍｂｅｒ）方式である。

ＥＤＤＣ方式は、本発明の発明者によって“帯形基板上の薄膜形成装置及び薄膜形成方法”という名称で特許文献１に開示されている。
ＥＤＤＣ方式は、大きく３個の区間に分かれた真空チャンバを使用する。上部にある反応チャンバ（ａｕｘｉｌｉａｒｙｃｈａｍｂｅｒ）は、約５ｍＴｏｒｒの酸素ガス雰囲気でドラムが回転する。ドラムの上には、幅が４ｍｍ、厚さが０．１ｍｍ以下である基板テープが巻き取られて装着され、基板は、ドラムと共に約７００℃に加熱される。ドラムは、基板テープと共に秒当たり約１回転する。下部にある真空度０．０１ｍＴｏｒｒを維持する蒸発チャンバ（ｍａｉｎｃｈａｍｂｅｒ）では、高温超電導体を形成させることができる物質、例えば、Ｓｍ、Ｂａ、Ｃｕなどが原子蒸気の形態で正確な成分比（例えば、１：２：３）を維持して供給され、回転する基板テープ上に蒸着される。テープは、蒸発空間と反応空間との間を回転し、テープ表面には高温超電導膜が成長する。

しかし、ここでの問題は、ドラム上に巻き取られたテープの長さが限定されているので、ＥＤＤＣ装置で生産できる高温超電導体線材の長さが限定されることである。従って、十分に長いテープに適用するために改良が必要であり、多様な方式が可能であるが、最も良い方法は、ドラム両側に二つの同軸リール（ｒｅｅｌ）を装着して、一つのリールでテープ線材をリリースし、異なる一つのリールでテープ線材を巻き取ることである。テープ線材は、リールの内側に巻き取られる。

米国特許第６、１４７、０３３号

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ドラムに巻き取られたテープ線材を一つのリールから異なる一つのリール側へ效果的に移送させることができる超電導テープ線材の連続製造装置を提供することである。

上述の目的を達成するため、本発明の超電導テープ線材の連続製造装置は、超電導物質蒸着のためのチャンバと、前記チャンバ内に設置され、超電導テープ線材を外周に巻付けて加熱するための中空の円筒形ドラムと、前記円筒形ドラムの一端部に設置され、超電導物質を蒸着する超電導テープ線材を供給するリリースリールと、前記円筒形ドラムの他端部に設置され、超電導物質の蒸着が完了した超電導テープ線材を回収する巻取りリールと、前記超電導テープ線材を前記リリースリールから前記巻取りリールまで移送させるための移送手段と、を含むことを特徴とする。

前記移送手段は、前記中空の円筒形ドラムの軸方向と平行に前記中空の円筒形ドラムの側壁の周りにループ状に設置され、本体の長さ方向と概略直角に周期的に形成されて、前記超電導テープ線材を装着させる溝を有する無限軌道のベルトと、前記中空の円筒形ドラムの外部で前記ベルトを前記リリースリールから前記巻取りリール方向へ移送させるように、前記ベルトを回転させるベルトリールを含むことを特徴とする。

前記溝は、前記超電導テープ線材が前記溝の底に接触しないように前記超電導テープ線材の両側を支持する支持段部と、前記超電導テープ線材が前記溝から容易に離脱しないように前記溝の底から上に上がるほど、前記溝の幅が狭くなる逆傾斜側壁を含むことを特徴とする。

前記支持段部が前記溝の側壁に向けて傾いた傾斜を有することによって前記超電導テープ線材が前記溝の支持段部に線接触することを特徴とする。

前記移送手段が前記中空の円筒形ドラムの軸に対して放射対称に複数個が設けられることを特徴とする。

前記超電導テープ線材が前記リリースリール及び巻取りリールの各々の内側でリリースされる、或いは内側に巻き取られることを特徴とする。

前記ベルトと、これに接する異なるベルトとの間の前記円筒形ラムの表面に、前記ベルトの表面と温度を同一にすることができる物質を配置することを特徴とする。

前記リリースリール側に設置されて前記超電導テープ線材の蒸着される部分と、蒸着されない部分を等間隔に配置するためのブロックをさらに具備することを特徴とする。

前記超電導テープ線材が蒸着蒸気に曝される際、前記ブロックが等間隔を往復運動して、ドラムに巻き取られる前記超電導テープ線材が１回転ごとに同時に露出されるようにしたことを特徴とする。

前記円筒形ドラム、前記円筒形ドラム外周に巻き取られた超電導テープ線材、前記超電導テープ線材を供給し回収するリリースリール及び巻取りリール、複数個の無限軌道ベルト及び前記無限軌道ベルトを回転させるベルトリール、の全てが調和して高速回転し、リリースリールから巻き戻され、また巻き取りリールに巻き取られ、前記超電導テープ線材とドラムの間に予め設定されたギャップをおいてスパイラル状にドラム外周に巻かれた前記超電導テープ線材が、ベルト上をドラムのセンターラインに沿ってリｒ−スリールから巻き取りリールまで移動し、超伝導物質が前記超電導テープ線材に蒸着されることを特徴とする。

本発明によると、損傷なしにテープを連続的に供給し回収することによってＥＤＤＣ方式による任意の長い超電導膜形成テープ線材を製造することができる。

本発明の実施形態による超電導テープ線材の連続製造装置の主要部の構造を概略的に示す図である。図１のＡ部分の拡大断面図である。図１のＡ部分の挿入時拡大断面図である。図１の構造をｂ方向で示した図である。図１の蒸気ブロックの斜視図である。蒸気ブロックの動作を説明する概念図である。蒸気ブロックの動作を説明する概念図である。

以下、本発明の望ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態による超電導テープ線材の連続製造装置の主要部の構造を概略的に示した図である。示した図の明確化のために、リリースリール１０４ａと巻取りリール１０４ｂは、円筒形ドラム１０２の軸と、図１のドラムの上端線と、を含む平面に切断した状態に示した。図１に示した構造は、全てが超電導物質の蒸着のためのチャンバ（図示せず）の内部に設置される。図１に示す通り、チャンバ（図示せず）内部に超電導テープ線材１０６をドラム外周に巻き付けて加熱するための中空の円筒形ドラム１０２が設置される。

超電導物質が蒸着される超電導テープ線材１０６は、リリースリール１０４ａで巻き戻されて供給されるが、このリリースリール１０４ａは、円筒形ドラム１０２の左側に設置される。超電導テープ線材１０６は、リリースリール１０４ａの内側で巻き戻されて、巻取りリール１０４ｂの内側に巻き取られる。超電導物質の蒸着が完了した超電導テープ線材１０６は、巻取りリール１０４ｂに巻き取られて回収されるが、この巻取りリール１０４ｂは、円筒形ドラム１０２の右側に設置される。リリースリール１０４ａで、巻き戻されて巻取りリール１０４ｂに巻き取られ回収される超電導テープ線材１０６は、超電導物質の蒸着過程で移送手段によってリリースリール１０４ａから巻取りリール１０４ｂまで移送される。

この移送手段は、超電導テープ線材を装着する溝を有する無限軌道のベルト１０８と、このベルト１０８を円筒形ドラム１０２の外部でリリースリール１０４ａから巻取りリール１０４ｂ方向、即ち矢印ａ方向へ移送させるように回転するベルトリール１１０からなる。ベルト１０８は、中空の円筒形ドラム１０２の軸方向と平行に中空の円筒形ドラム１０２の側壁を輪形に囲むように設置される。このような移送手段は、中空の円筒形ドラム１０２の軸に対して放射対称に複数個が設けられることが望ましい。これは、対称的な構造はベルト１０８が超電導テープ線材１０６を安定的に安着させて移送させることに有利であるためである。ベルト１０８は、円形ドラム１０２の長さ方向に、概略直角に周期的に形成された溝（図２に示す）を有し、この溝に超電導テープ線材１０６を装着させる。

超電導物質の蒸着工程中に、円筒形ドラム１０２の外部では、ベルト１０８が超電導テープ線材１０６を載せて円筒形ドラム１０２の軸方向と平行なａ方向へ移動し、円筒形ドラム１０２の内部では、ベルト１０８が軸方向と平行なｂ方向へ移動することによって、超電導テープ線材１０６の連続移送が可能になる。このような連続移送を可能にするには、複数のベルト１０８の全てが同一速度で動くようベルトリール１１０を同一速度で回転させる必要がある。
図１の、符号１１２は、高温超電導体を形成する物質を含むボートであり、符号１１４は、蒸発空間と反応空間を区分するチャンバ区間壁であり、符号１１６は、ブロックである。

蒸発空間は、ボート１１２から高温超電導体を形成する物質が蒸発するボート上部の空間である。反応空間は、蒸発した物質が超電導テープ線材上で反応する空間であり、超電導テープ線材が置かれる空間である。蒸発した物質が超電導テープ線材上に蒸着される空間は、蒸着空間Ｄで定義される。
図２は、図１のＡ部分の拡大断面図である。具体的には、円筒形ドラム１０２の軸と、図１のドラムの上端線を含む平面でＡ部分を切断した断面図である。図２に示す通り、ベルト１０８の長さ方向に概略直角に溝Ｈ（ｇｒｏｏｖｅ）が周期的に形成され、超電導テープ線材１０６がベルト１０８に巻き取られながらこの溝Ｈに装着されることが分かる。

又、溝Ｈの詳細図に示す通り、超電導テープ線材１０６が溝Ｈの底に接触しないように超電導テープ線材１０６の両側を支持する支持段部２１０が設けられ、超電導テープ線材１０６が溝Ｈの底から離隔されていることが分かる。又、支持段部２１０は、溝Ｈの側壁に向けて傾いた傾斜を有し、超電導テープ線材１０６は、溝Ｈの支持段部２１０に線接触をするようになっている。このような支持段部２１０によって超電導テープ線材１０６とベルト１０８の接触が最小限に留まるため、接触による線材の損傷、或いは汚染を防止することができる。一方、超電導テープ線材１０６が溝Ｈから容易に離脱されないように溝Ｈの底から上に上がるほど溝Ｈの幅が狭くなる逆傾斜側壁２２０が設けられている。

溝Ｈの幅は、超電導テープ線材１０６の幅より狭くなっている。従って、リリースリール１０４ａからリリースされた超電導テープ線材１０６が溝Ｈに挿入されるために、別の動作が必要となる。図３に示す通り、超電導テープ線材１０６は、ベルト１０８に対して傾斜させて溝Ｈに挿入する。このため、リリースリール１０４ａの中心軸はベルト１０８に対して傾斜させることができる。あるいは、リリースリール１０４ａとベルト１０８との間に、超電導テープ線材の下部面に接触して、ベルトに対して傾斜した上面を有する別の支持部を設けることができる。また他の方法として、リリースリール１０４ａの近くにベルト１０８を曲げるようにして、部分的に溝Ｈの幅が超電導テープ線材の幅より大きくなるようにすることができる。超電導テープ線材１０６が溝Ｈから離脱して巻取りリール１０４ｂに巻き取られるためにも、上記と類似の方法が利用できる。
ベルト１０８は、超電導テープ線材と熱膨張係数が同一の物質、例えば、へーストアロイ（ｈａｓｔａｌｌｏｙ）で構成する。ベルト１０８の厚さは、概略３ｍｍと薄いため容易に曲げることができ、駆動のためにベルトリール１１０に巻き取られる。

図４は、図１の中心軸方向に直角な断面を示した図であるが、簡明にするため超電導テープ線材を省略して示している。複数個の移送手段が中空の円筒形ドラム１０２の軸に対して放射対称に設置されている。図４に示す通り、複数個のベルトリール１１０は隣接するベルトリール１１０と中心角が４５°となるように装着されている。図４に超電導テープ線材は、示していないが、超電導テープ線材に高い張力をかけてベルトに巻き取ると、ベルトが超電導テープ線材を支持していない部位で超電導テープ線材とドラムの外周面が接触して、接触部位と非接触部位での処理が不均一になる恐れがある。従って、超電導テープ線材は、少し緩くベルトに巻き取られることが望ましい。

図１に示す通り、本発明の装置ではベルトリール及び巻取りリールの駆動によって、超電導テープ線材が蒸着空間Ｄに供給される。この際、超電導テープ線材上の一部分は、蒸着空間に露出されて超電導形成物質が蒸着され、他の部分は露出されず、超電導テープ線材の表面が超電導形成物質に同時に露出されないようになっている。蒸着される部分と、蒸着されない部分の境界を最小に保つと超電導膜の特性が均一に維持できる。従って、これを調節するブロック１１６がリリースリール１０４ａ側に必要となる。ブロック１１６は、ドラムに相当する幅と平坦な形状を有する。又は、図５に示す通り、ブロック１１６は、巻き取られた超電導テープ線材に相当する螺旋形の端部を有する。螺旋形の端部は、超電導線材テープ幅に相当する不連続部分を有する。ブロック１１６の不連続部分は、蒸着空間の反対側に位置することができる。

次にブロック１１６の作動について説明する。ブロック１１６は、ステップ（ｓｔｅｐ）式で往復運動する。ここで１ステップは、超電導テープ線材の幅である。図６に示す通り、ブロック１１６で覆われた超電導線材テープ１０６ａの１ステップでは、ブロック１１６と共に蒸着空間Ｄの方向に前進する。図７に示す通り、１ステップの超電導線材テープ１０６ａが同時に蒸着空間に露出されるように、ブロック１１６だけが１ステップ後退する。

以下、上記超電導テープ線材の連続製造装置の構造及び作動の特徴について説明する。一般的に超電導テープ線材は、高温でも強度を維持するへーストアロイ（ｈａｓｔａｌｌｏｙ）を使用するので、ベルトの溝に挟まった状態を維持することができる。ベルトも同一のへーストアロイ（ｈａｓｔａｌｌｏｙ）を使用する。テープはドラム表面に触れないように少し余裕をもって挟まれる。これは、高温におけるドラムとテープ線材の熱膨張率を考慮して、超電導テープ線材がドラムと触れないようにするためである。

上記の通り、ベルトの溝に挿入された超電導テープ線材は、溝の底部と接触しない。そして、ベルトの溝は上方に傾斜して超電導テープ線材が溝から抜け出さないようなっている。ベルトは連続的に軸方向に移動して螺旋形に巻き取られたテープ線材をリリースリールから巻取りリールへ移動させる。テープ線材、二つのリリースリールと巻き取りリール、複数個のベルトは、全てがドラムと共に秒当たり約１回転する。円筒形ドラム、円筒形ドラムの周囲に巻き取られた超電導テープ線材、超電導テープ線材を供給して回収するリリースリール及び巻取りリール、複数個の無限軌道ベルト及びこの無限軌道ベルトを各々戻すベルトリールは、全てが調和して早く回転しながら超電導テープ線材上に超電導物質を蒸着する。この部品の動作を調和させる方法や機構は、この部品の長さ、直径などの構造パラメータを利用して容易に決定することができる。

ベルトの移動によって超電導テープ線材は、ベルトに螺旋に巻き取られた状態でドラム軸に沿って移動し、各々のリールは、ドラムと相対的に回転するのでリリースと巻取り作用をする。即ち、回転する円筒形ドラムを基準とする際、超電導テープ線材がリリースリールでリリースされて巻取りリールに巻き取られる際、ドラムの周囲に離隔されるように巻き取られた螺旋状態がベルトに載せてドラム軸方向へ移動する。又、本発明の装置で、ベルト部分と残り部分の温度は同一に貨物必要があるので、残り部分もベルト部分のように二重表面層になっている。一例として、残り部分は、ベルト部分の間の空間を満たすことにより、二重表面層に形成され、ベルトを構成する物質と類似又は同じ熱電導特性を有する物質とともにベルトから分離される。

本発明は、長い超電導テープ線材を連続的に製造することができる装置に適用することができる。

１０２円筒形ドラム
１０４ａリリースリール
１０４ｂ巻取りリール
１０６超電導テープ線材
１０８ベルト
１１０ベルトリール

Claims

超電導物質蒸着のためのチャンバと、
前記チャンバ内に設置され、超電導テープ線材を外周に巻付けて加熱するための中空の円筒形ドラムと、
前記円筒形ドラムの一端部に設置され、超電導物質を蒸着する超電導テープ線材を供給するリリースリールと、
前記円筒形ドラムの他端部に設置され、超電導物質の蒸着が完了した超電導テープ線材を回収する巻取りリールと、
前記超電導テープ線材を前記リリースリールから前記巻取りリールまで移送させるための移送手段と、
を含むことを特徴とする超電導テープ線材の連続製造装置。
前記移送手段は、
前記中空の円筒形ドラムの軸方向と平行に前記中空の円筒形ドラムの側壁の周りにループ状に設置され、本体の長さ方向と概略直角に周期的に形成されて、前記超電導テープ線材を装着させる溝を有する無限軌道のベルトと、
前記中空の円筒形ドラムの外部で前記ベルトを前記リリースリールから前記巻取りリール方向へ移送させるように、前記ベルトを回転させるベルトリールを含むことを特徴とする請求項１に記載の超電導テープ線材の連続製造装置。
前記溝は、
前記超電導テープ線材が前記溝の底に接触しないように前記超電導テープ線材の両側を支持する支持段部と、
前記超電導テープ線材が前記溝から容易に離脱しないように前記溝の底から上に上がるほど、前記溝の幅が狭くなる逆傾斜側壁を含むことを特徴とする請求項２に記載の超電導テープ線材の連続製造装置。
前記支持段部が前記溝の側壁に向けて傾いた傾斜を有することによって前記超電導テープ線材が前記溝の支持段部に線接触をすることを特徴とする請求項３に記載の超電導テープ線材の連続製造装置。
前記移送手段が前記中空の円筒形ドラムの軸に対して放射対称に複数個が設けられることを特徴とする請求項２に記載の超電導テープ線材の連続製造装置。
前記超電導テープ線材が前記リリースリール及び巻取りリールの各々の内側でリリースされる、或いは内側に巻き取られることを特徴とする請求項１に記載の超電導テープ線材の連続製造装置。
前記ベルトと、これに接する異なるベルトとの間の前記円筒形ラムの表面に、前記ベルトの表面と温度を同一にすることができる物質を配置することを特徴とする請求項２に記載の超電導テープ線材の連続製造装置。
前記リリースリール側に設置されて前記超電導テープ線材の蒸着される部分と、蒸着されない部分を等間隔に配置するためのブロックをさらに具備することを特徴とする請求項２に記載の超電導テープ線材の連続製造装置。
前記超電導テープ線材が蒸着蒸気に曝される際、前記ブロックが等間隔を往復運動して、ドラムに巻き取られる前記超電導テープ線材が１回転ごとに同時に露出されるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の超電導テープ線材の連続製造装置。
前記円筒形ドラム、前記円筒形ドラム外周に巻き取られた超電導テープ線材、前記超電導テープ線材を供給し回収する巻き戻しリール及び巻取りリール、複数個の無限軌道ベルト及び前記無限軌道ベルトを回転させるベルトリール、の全てが調和して高速回転し、リリースリールから巻き戻され、また巻き取りリールに巻き取られ、前記超電導テープ線材とドラムの間に予め設定されたギャップをおいてスパイラル状にドラム外周に巻かれた前記超電導テープ線材が、ベルト上をドラムのセンターラインに沿ってリリースリールから巻き取りリールまで移動し、超伝導物質が前記超電導テープ線材に蒸着されることを特徴とする請求項５に記載の超電導テープ線材の連続製造装置。