JP4380916B2 - 超伝導テープ - Google Patents
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Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は、超伝導テープに関し、特に、複合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、束ねて形成する。
【０００５】
複合パウダインチューブテープは、個々の要素パウダインチューブテープを積層し、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。要素パウダインチューブテープは全て縦長である。
【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（cuprate 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）
本発明の一態様によると、一対の対向露出主要面を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの露出主要面の一方の上に配設されこれと接合する１つの金属テープからなる１つの外面層と、を有する複合超伝導テープを提供する。このテープは、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックが、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面を有し、前記１つの金属テープが、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面の上に配設されることにより、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様によると、一対の対向露出主要面を有する少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの露出主要面の双方の上に配設されこれと接合する２つの金属テープからなる２つの外面層と、を有する複合超伝導テープを提供する。このテープは、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックが、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面を有し、前記２つの金属テープが、異なる強度を有し、前記２つの金属テープのうち強度の高い金属テープが、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面の上に配設されて、前記２つの金属テープのうち強度の低い金属テープが、複合超伝導テープの屈曲時の凹状露出主要面の上に配設されることにより、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の態様によると、２つの対向露出主要面と、前記２つの対向露出主要面の間に延設された２つの対向端部と、前記２つの対向露出主要面の間に実質的に平行に延設された、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面と、を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面に接合される第１金属テープと、を有し、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする複合超伝導テープを提供する。
【００１３】
本発明の他の態様によると、２つの対向露出主要面と、前記２つの対向露出主要面の間に延設された２つの対向端部と、前記２つの対向露出主要面の間に実質的に平行に延設された、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面と、を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面に接合される第１金属テープと、複合超伝導テープの屈曲時の凹状露出主要面に接合される第２金属テープと、を有し、前記第１金属テープの強度が、前記第２金属テープの強度より高く、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする複合超伝導テープを提供する。
【００１４】
本発明の好適な実施形態によれば、金属テープが１枚であるときには、その金属テープが凸状になるように、複合超伝導テープが巻型に螺旋状に巻き付けられることが好適であり、金属テープが２枚であるときには、より強度の高い金属テープが凸状になるように、複合超伝導テープが巻型に螺旋状に巻き付けら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、金属テープが１枚であるときには、その金属テープが凸状になるように複合超伝導テープが屈曲することで、金属テープが２枚であるときには、より強度の高い金属テープが凸状になるように複合超伝導テープが屈曲することで、少なくとも１枚の要素超伝導テープのスタックが実質的な圧縮力を受ける。
【００１５】
この複合超伝導テープは、積層され接合された複数の要素超伝導テープを含むことが好適である。
【００１６】
使用において、複合超伝導テープは、金属テープが１枚であるときには、その金属テープが凸状になるように、巻型に同じ方向に巻かれることが好適であり、金属テープが２枚であるときには、より強度の高い金属テープが凸状になるように、巻型に同じ方向に巻かれることが好適である。さらに、金属テープが２枚であるときには、より強度の高い金属テープは銀合金から作られ、より強度の低い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、金属テープが２枚であるときには、双方の金属テープは同じ物質から作られ、より強度の高いテープがより強度の低いテープよりも厚い。
【００１７】
金属テープは平坦であり、その幅は実質的に複合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、金属テープの幅は複合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、金属テープは複合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。
【００１８】
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。
【００１９】
多数の要素超伝導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。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、少なくとも１つの要素パウダインチューブ超伝導テープと、その露出主要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。
【００２１】
積層され、接合された要素超伝導テープが複数あることが好適である。
【００２２】
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。
【００２３】
このような金属テープは平坦であり、その幅は実質的に複合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要素超伝導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。複数の要素超伝導テープがある場合、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。
【００２４】
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。
【００２５】
（発明を実施するための最良の形態）
図１に示す複合超伝導テープ１は、４〜５．５ｍｍの幅と、約０．２７ｍｍの厚みを有し、例えば、９枚の要素超伝導テープ２と、銀又は銀合金である金属テープ３とを有する。これらのテープは全て接合されている。各要素超伝導テープ２は、銀／銀合金クラッディング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）、各要素超伝導テープ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。
【００２６】
複合超伝導テープ１を製造するために、必要な数の要素超伝導テープ２を製造しなくてはならない。要素超伝導テープ２を製造するために、まず、ＢＳＣＣＯ−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１０ｍｍ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〜６ｃｍ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。
【００２７】
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、０．６５ｍｍと０．３５ｍｍの時点で、５００℃で３０〜６０秒の間２回焼鈍する。
【００２８】
図１に示すように、要素超伝導テープ２を均等な９本の断片に切り分けて積層し、０．２２ｍｍ厚の銀又は銀合金である金属テープ３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、１．５０，０．９５，０．８０，０．６５，０．５５，０．４５，０．４０，０．３５，０．３０ｍｍ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０．６５ｍｍの時点で、前記条件と同様の条件下で焼鈍する。
【００２９】
得られた複合超伝導テープ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７８５℃まで冷却する。この加熱処理期間によって、超伝導物質の大部分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−２２２３相にする。
【００３０】
比較的強固な銀又は銀合金である金属テープ３は、複合超伝導テープ１の屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面（neutral plane）を、要素超伝導テープ２のスタック６の厚さ方向の中央面に対して、銀又は銀合金である金属テープ３側に位置させる。この結果、銀又は銀合金である金属テープ３側が凸状になるように複合超伝導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。
【００３１】
図２に示す複合超伝導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、反対の主要面上に銀合金（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、要素超伝導テープ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、中立面は、より強固な銀合金テープ４に向かって引き寄せられる。この複合超伝導テープは、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。
【００３２】
図３および図４は、それぞれ図１および図２に示す複合超伝導テープの代替デザインを示すが、要素超伝導テープ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。要素超伝導テープの端部を（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。
【００３３】
図５に示す複合超伝導テープは、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の複合超伝導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。
【００３４】
図６は、本発明の複合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。この実施形態の複合超伝導テープは、５本の要素超伝導テープと、１本の外面Ａｇテープと、１本の外面Ａｇ−Ｍｇ合金テープとからなる。公称屈曲ひずみε（％）は、次の式で計算される。
【００３５】
ε（％）＝t／（２Ｒ＋t）
ただし、tは複合超伝導テープ厚であり、Ｒは屈曲湾曲の半径である。Ｉｃｏは焼結状態の複合超伝導テープの臨界電流であり、Ｉｃは屈曲後の複合超伝導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複合超伝導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複合超伝導テープが屈曲した場合のＩｃ対ε（％）を示す。
【００３６】
図７は、本発明に係る複合超伝導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テープを有する複合超伝導テープの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複合超伝導テープのＩｃ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複合超伝導テープが、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複合超伝導テープの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複合超伝導テープが屈曲した場合の複合超伝導テープのＩｃ対ε（％）関係を示す。
【００３７】
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複合超伝導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。
【００３８】
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、本発明に係る複合超伝導テープを製造することもできる。
【００３９】
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、本発明に係る複合超伝導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、本発明に係る他の複合超伝導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、本発明に係る多列複合超伝導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複合超伝導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、本発明に係る複合超伝導テープを示す図である。
【図６】 本発明に係る複合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。
【図７】 本発明に係る複合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。
（技術分野）
本発明は、超伝導テープに関し、特に、複合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、束ねて形成する。
【０００５】
複合パウダインチューブテープは、個々の要素パウダインチューブテープを積層し、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。要素パウダインチューブテープは全て縦長である。
【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（cuprate 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）
本発明の一態様によると、一対の対向露出主要面を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの露出主要面の一方の上に配設されこれと接合する１つの金属テープからなる１つの外面層と、を有する複合超伝導テープを提供する。このテープは、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックが、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面を有し、前記１つの金属テープが、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面の上に配設されることにより、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様によると、一対の対向露出主要面を有する少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの露出主要面の双方の上に配設されこれと接合する２つの金属テープからなる２つの外面層と、を有する複合超伝導テープを提供する。このテープは、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックが、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面を有し、前記２つの金属テープが、異なる強度を有し、前記２つの金属テープのうち強度の高い金属テープが、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面の上に配設されて、前記２つの金属テープのうち強度の低い金属テープが、複合超伝導テープの屈曲時の凹状露出主要面の上に配設されることにより、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の態様によると、２つの対向露出主要面と、前記２つの対向露出主要面の間に延設された２つの対向端部と、前記２つの対向露出主要面の間に実質的に平行に延設された、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面と、を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面に接合される第１金属テープと、を有し、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする複合超伝導テープを提供する。
【００１３】
本発明の他の態様によると、２つの対向露出主要面と、前記２つの対向露出主要面の間に延設された２つの対向端部と、前記２つの対向露出主要面の間に実質的に平行に延設された、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面と、を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面に接合される第１金属テープと、複合超伝導テープの屈曲時の凹状露出主要面に接合される第２金属テープと、を有し、前記第１金属テープの強度が、前記第２金属テープの強度より高く、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする複合超伝導テープを提供する。
【００１４】
本発明の好適な実施形態によれば、金属テープが１枚であるときには、その金属テープが凸状になるように、複合超伝導テープが巻型に螺旋状に巻き付けられることが好適であり、金属テープが２枚であるときには、より強度の高い金属テープが凸状になるように、複合超伝導テープが巻型に螺旋状に巻き付けら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、金属テープが１枚であるときには、その金属テープが凸状になるように複合超伝導テープが屈曲することで、金属テープが２枚であるときには、より強度の高い金属テープが凸状になるように複合超伝導テープが屈曲することで、少なくとも１枚の要素超伝導テープのスタックが実質的な圧縮力を受ける。
【００１５】
この複合超伝導テープは、積層され接合された複数の要素超伝導テープを含むことが好適である。
【００１６】
使用において、複合超伝導テープは、金属テープが１枚であるときには、その金属テープが凸状になるように、巻型に同じ方向に巻かれることが好適であり、金属テープが２枚であるときには、より強度の高い金属テープが凸状になるように、巻型に同じ方向に巻かれることが好適である。さらに、金属テープが２枚であるときには、より強度の高い金属テープは銀合金から作られ、より強度の低い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、金属テープが２枚であるときには、双方の金属テープは同じ物質から作られ、より強度の高いテープがより強度の低いテープよりも厚い。
【００１７】
金属テープは平坦であり、その幅は実質的に複合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、金属テープの幅は複合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、金属テープは複合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。
【００１８】
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。
【００１９】
多数の要素超伝導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。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、少なくとも１つの要素パウダインチューブ超伝導テープと、その露出主要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。
【００２１】
積層され、接合された要素超伝導テープが複数あることが好適である。
【００２２】
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。
【００２３】
このような金属テープは平坦であり、その幅は実質的に複合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要素超伝導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。複数の要素超伝導テープがある場合、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。
【００２４】
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。
【００２５】
（発明を実施するための最良の形態）
図１に示す複合超伝導テープ１は、４〜５．５ｍｍの幅と、約０．２７ｍｍの厚みを有し、例えば、９枚の要素超伝導テープ２と、銀又は銀合金である金属テープ３とを有する。これらのテープは全て接合されている。各要素超伝導テープ２は、銀／銀合金クラッディング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）、各要素超伝導テープ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。
【００２６】
複合超伝導テープ１を製造するために、必要な数の要素超伝導テープ２を製造しなくてはならない。要素超伝導テープ２を製造するために、まず、ＢＳＣＣＯ−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１０ｍｍ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〜６ｃｍ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。
【００２７】
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、０．６５ｍｍと０．３５ｍｍの時点で、５００℃で３０〜６０秒の間２回焼鈍する。
【００２８】
図１に示すように、要素超伝導テープ２を均等な９本の断片に切り分けて積層し、０．２２ｍｍ厚の銀又は銀合金である金属テープ３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、１．５０，０．９５，０．８０，０．６５，０．５５，０．４５，０．４０，０．３５，０．３０ｍｍ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０．６５ｍｍの時点で、前記条件と同様の条件下で焼鈍する。
【００２９】
得られた複合超伝導テープ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７８５℃まで冷却する。この加熱処理期間によって、超伝導物質の大部分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−２２２３相にする。
【００３０】
比較的強固な銀又は銀合金である金属テープ３は、複合超伝導テープ１の屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面（neutral plane）を、要素超伝導テープ２のスタック６の厚さ方向の中央面に対して、銀又は銀合金である金属テープ３側に位置させる。この結果、銀又は銀合金である金属テープ３側が凸状になるように複合超伝導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。
【００３１】
図２に示す複合超伝導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、反対の主要面上に銀合金（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、要素超伝導テープ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、中立面は、より強固な銀合金テープ４に向かって引き寄せられる。この複合超伝導テープは、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。
【００３２】
図３および図４は、それぞれ図１および図２に示す複合超伝導テープの代替デザインを示すが、要素超伝導テープ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。要素超伝導テープの端部を（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。
【００３３】
図５に示す複合超伝導テープは、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の複合超伝導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。
【００３４】
図６は、本発明の複合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。この実施形態の複合超伝導テープは、５本の要素超伝導テープと、１本の外面Ａｇテープと、１本の外面Ａｇ−Ｍｇ合金テープとからなる。公称屈曲ひずみε（％）は、次の式で計算される。
【００３５】
ε（％）＝t／（２Ｒ＋t）
ただし、tは複合超伝導テープ厚であり、Ｒは屈曲湾曲の半径である。Ｉｃｏは焼結状態の複合超伝導テープの臨界電流であり、Ｉｃは屈曲後の複合超伝導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複合超伝導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複合超伝導テープが屈曲した場合のＩｃ対ε（％）を示す。
【００３６】
図７は、本発明に係る複合超伝導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テープを有する複合超伝導テープの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複合超伝導テープのＩｃ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複合超伝導テープが、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複合超伝導テープの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複合超伝導テープが屈曲した場合の複合超伝導テープのＩｃ対ε（％）関係を示す。
【００３７】
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複合超伝導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。
【００３８】
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、本発明に係る複合超伝導テープを製造することもできる。
【００３９】
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、本発明に係る複合超伝導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、本発明に係る他の複合超伝導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、本発明に係る多列複合超伝導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複合超伝導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、本発明に係る複合超伝導テープを示す図である。
【図６】 本発明に係る複合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。
【図７】 本発明に係る複合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。
Claims (14)
- 複合超伝導テープであって、
一対の対向露出主要面を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、
前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの露出主要面の一方の上に配設されてこれと接合する１つの金属テープからなる１つの外面層と、
を有し、
前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックが、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面を有し、
前記１つの金属テープが、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面の上に配設されることにより、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする複合超伝導テープ。 - 複合超伝導テープであって、
一対の対向露出主要面を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、
前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの露出主要面の双方の上に配設されてこれと接合する２つの金属テープからなる２つの外面層と、
を有し、
前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックが、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面を有し、
前記２つの金属テープが、異なる強度を有し、
前記２つの金属テープのうち強度の高い金属テープが、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面の上に配設されて、前記２つの金属テープのうち強度の低い金属テープが、複合超伝導テープの屈曲時の凹状露出主要面の上に配設されることにより、前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする複合超伝導テープ。 - 前記２つの金属テープが、異なる組成を有することを特徴とする請求項２に記載の複合超伝導テープ。
- 前記２つの金属テープが、同じ組成であるが厚みが異なることを特徴とする請求項２に記載の複合超伝導テープ。
- 積層され接合された複数の要素超伝導テープを有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の複合超伝導テープ。
- 積層され接合された複数の要素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から請求項４までのいずれかに記載の複合超伝導テープ。
- 前記複数の要素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５又は請求項６に記載の複合超伝導テープ。
- 複合超伝導テープであって、
２つの対向露出主要面と、前記２つの対向露出主要面の間に延設された２つの対向端部と、前記２つの対向露出主要面の間に実質的に平行に延設された、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面と、を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、
複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面に接合される第１金属テープと、
を有し、
前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする複合超伝導テープ。 - 複合超伝導テープであって、
２つの対向露出主要面と、前記２つの対向露出主要面の間に延設された２つの対向端部と、前記２つの対向露出主要面の間に実質的に平行に延設された、複合超伝導テープの屈曲時に引張力も圧縮力も作用しない中立面と、を有する、少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックと、
複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面に接合される第１金属テープと、
複合超伝導テープの屈曲時の凹状露出主要面に接合される第２金属テープと、
を有し、
前記第１金属テープの強度が、前記第２金属テープの強度より高く、
前記中立面が、前記少なくとも１つの要素超伝導テープのスタックの厚さ方向の中央面に対して、複合超伝導テープの屈曲時の凸状露出主要面側に位置することを特徴とする複合超伝導テープ。 - 前記第１金属テープと前記第２金属テープは異なる成分を有することを特徴とする請求項９に記載の複合超伝導テープ。
- 前記第１金属テープと前記第２金属テープは異なる厚さを有することを特徴とする請求項９に記載の複合超伝導テープ。
- スタック状に配置された複数の要素超伝導テープを有し、
前記スタックの各端部の要素超伝導テープは、それぞれ前記２つの対向露出主要面である露出主要面を含むことを特徴とする請求項８から請求項１１までのいずれかに記載された複合超伝導テープ。 - 前記複数の要素超伝導テープの全てが長手方向に延設されることを特徴とする請求項１２に記載の複合超伝導テープ。
- 前記複数の要素超伝導テープが、実質的に相互に平行な複数のスタックに積層されることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の複合超伝導テープ。
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