JP4400906B2 - 超電導テープ - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は超電導テープに関し、より具体的には、複合超電導テープに関している。
【０００２】
（背景技術）
本発明は、主として交流電流を流すために開発されてきたものであり、以下では、そのアプリケーションに関して説明される。しかし、本発明が、その特定の使用分野に限定されるものではなく、直流電流又は非周期的な電流を流すためにも適していることに留意されたい。
【０００３】
超電導材料を含むテープは超電導テープと呼ばれ、既に知られている。この超電導テープは、銀又は銀合金の媒体中に、１本又は多数の超電導フィラメントを有している。超電導テープは、コイル、マグネット、変圧器、モータ、発電機、及び電流伝搬（current carrying）ケーブルを作成するために使用される。超電導テープの主なクラス（main class）は、パウダー・イン・チューブ又はＰｉＴテープと呼ばれる。このテープは、パウダー形態の超電導酸化物が充填された銀のチューブ、又はそれほど一般的ではないが銀合金のチューブを、引き延ばす（drawing）か、そうでなければ縮小させる（reducing）ことによって、作成される。このチューブは、それから更に圧延処理されて、薄いテープに加工される。多フィラメントテープは、たいていは、中間縮小ステージで、一般的な銀又は銀合金のシース中に複数の充填済みチューブを束ねることによって、作成される。
【０００４】
一つの重要な超電導酸化物は、Ｂｉ−２２２３として知られている。この酸化物は、ビスマス、ストロンチウム、カルシウム、及び銅を含み、当業者には既知であるように、ある限定された代替物を作成することができる。この酸化物は、銅酸塩（cuprate salt）と考えることができる。
【０００５】
既知のテープは、通常は、約０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの間の厚さを有し、約２ｍｍ〜５ｍｍの間の幅を有している。適当な臨界電流を得るために、超電導フィラメントは薄くなければならない。典型的な厚さは、１０〜４０μｍである。更に、典型的なアスペクト比は、少なくとも１：１０である。
【０００６】
フィラメントは、多くのプレート状の結晶粒（grains）を含み、良い性能のためには、これらの結晶粒は、同じ結晶学的方向にできるだけ揃っているべきである。この相対的な方向は、しばしば結晶粒アライメント又は「テクスチュア」と呼ばれる。薄く、良好にテクスチュア化されたフィラメントは、高い臨界電流を可能にし、テープ全体に総合的な可とう性（フレキシビリティ）を与える。
【０００７】
複合テープは、ときには、個々のテープのスタックを形成し、このスタックを１つ以上のメタルテープで包み込んで（ラッピングして）一緒に保持することによって、作成される。これらのメタルテープは、通常は銀又は銀合金である。同じ出願人名による英国特許出願第９８０５６４１．９号には、複合テープの改善された形態が提案されており、そこでは、個々のテープが拡散結合されて、メタルラップテープが不必要にされている。これにより、ラッピングテープのターン間の不可避なギャップや重なりの除去が可能になる。これらのギャップや重なりは、フィラメント内にキンクを生成し、これは、局部的な結晶粒のアライメントを破壊する。上記であらかじめ述べたように、アライメントの低下は、全体臨界電流密度ＪＣの劣化をもたらす。
【０００８】
（発明の開示）
少なくとも好適な実施形態における本発明の目的は、従来技術の短所の１つ又はそれ以上を克服するか、又は実質的に改善すること、又は有用な代替物を提供することである。
【０００９】
本発明によれば、主面を接触させてお互いに平行にスタックされた複数の要素超電導テープを備える複合超電導テープが提供され、前記要素超電導テープが、単フィラメントテープであり、前記要素超電導テープが、ツイストされることなくスタックされており、前記要素超電導テープの隣接するスタックが、（エッジ・トゥ・エッジで；edge to edge）相互の端部において接触するように、前記要素超電導テープの複数のスタックが、複合超電導テープの幅方向に並べられており、少なくとも一つのブリッジテープが、前記要素超電導テープの複数のスタックをブリッジし、前記要素超電導テープの複数のスタック間を機械的に接続する。
本発明の他の局面によれば、各々が２つの対向する主面と前記主面の間に延びる２つの対向する端面とを有する複数の要素超電導テープから構成された複合超電導テープが提供され、前記要素超電導テープが、単フィラメントテープであり、複数の要素超電導テープを有する第１のスタックであって、該第１のスタック内の各テープが、ツイストされることなくスタックされており、そのスタック中の隣接する要素超電導テープの主面に接触している少なくとも一つの主面を有している、第１のスタックと、複数の要素超電導テープを有する第２のスタックであって、該第２のスタック内の各テープが、ツイストされることなくスタックされており、そのスタック中の隣接する要素超電導テープの主面に接触している少なくとも一つの主面を有している、第２のスタックと、前記２つのスタックが、（エッジ・トゥ・エッジで；edge to edge）相互の端部において接触するように、複合超電導テープの幅方向に並べられており、前記２つのスタックの間にスパンして、これらのスタックを実質的に平行な端部対端部構成に維持している少なくとも一つのブリッジテープと、を備えている。
好ましくは、前記要素超電導テープが、圧延されてからスタックされており、前記少なくとも一つのブリッジテープが、複数のスタックの主面に接触するが、端部には接触しないように配置されている。
【００１０】
好ましくは、全ての前記要素超電導テープが、複合超電導テープの幅の実質的に半分、又は他の単純な分数であるような幅を有しており、超電導材料を含まない位置合わせゾーンを間に有する２つ以上のサブスタックを形成している。これは、普通は、スタックからスタックまでブリッジしてスタック間の十分に強固な機械的接続を提供するために、銀又は銀合金の全幅テープの付加を必要とする。予備実験は、全体的な寸法及び組成が同じであるが全て全幅超電導テープからなるスタックに比べて、この構造が、実質的により低いＡＣ損失を有することを示している。本願発明者は、いずれの理論にも束縛されることを望まないが、この観察結果は、スタック間の磁気的非結合（de-coupling）によって説明され得ると考えられる。
【００１１】
また、好ましくは、全幅メタルテープが、スタックの一主面に存在する。より好ましくは、スタックの各主面に一つずつ、２つの全幅メタルテープが提供される。更に好ましくは、１つのメタルテープしかないか、又は２つのメタルテープの強度が不均衡であるときには、英国特許出願第９８０５６４４．３号に更に十分に説明されているように、そのテープ、又はより強度があるテープがそれぞれ、常に湾曲部の凸側に位置するように、メタルテープが製造時に使用される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、１つの全幅超電導テープが使用される。
【００１３】
好ましくは、英国特許出願第９８０５６４１．９号に説明されているように、前記要素超電導テープは拡散結合されていて、その細長い構成要素は全て、長手方向に延びている。
【００１４】
好適な形態では、フラットであって且つ複合超電導テープの幅よりも実質的に大きくない幅を有するメタルテープが、使用される。いくつかの実施形態では、前記メタルテープの幅は、複合超電導テープの幅よりも僅かに小さい。しかし、更に他の実施形態では、より幅が広いメタルテープが使用されて、これが、チャネル部に曲げられているか、又は結果的に曲げられるようになる。後者の構成は、構造的長所を有しているが、充填係数（フィル・ファクタ；fill factor）に悪影響を与える。同様に、スタックの周囲をラップしているが長手方向に延びてはいないような銀の箔（フォイル；foil）、又は他の同等な材料の使用は、排除されるものではない。
【００１５】
好ましくは、要素超電導テープ、及びもし存在しているときにはメタルテープの拡散結合は、テープを面対面（フェイス・トゥ・フェイス；face-to-face）に組み合わせて、超電導材料への欠失的（deleterious）効果が十分に避けられるような低温で熱処理を行うことによって、達成される。超電導材料が典型的なＢＳＣＣＯ−２２２３組成であるときには、前記温度は８４２℃を超えてはならない。十分に厳密な制御が行われるとして、温度８４０℃が推奨される。
【００１６】
適切な結合を得るためには、温度における数時間の拡散時間が必要とされる。しかし、過度に長い時間は、超電導材料の過剰な焼結を生じさせる傾向があるので望ましくないことに、留意されたい。
【００１７】
好ましくは、拡散結合された要素超電導テープのスタックは、全体厚さを減らすと共に結合を強固にするために圧延される。
【００１８】
文脈が明らかにそうではないことを要求していない限り、明細書及び請求項を通じて、「備える（comprise）」、「備えている（comprising）」などの用語は、排他的又は網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味にある、すなわち「含んでいるが、それに限定されるものではない（including, but not limited to）」という意味にあるものと解釈される。
【００１９】
（発明を実施するための最良の形態）
以下に、本発明の好適な実施形態が、例示目的のみのために、添付のダイアグラム図（一定比率の縮尺にはなっていない）を参照して説明される。
【００２０】
図１に示される複合超電導テープは、約４〜５．５ｍｍの幅、及び約０．２７ｍｍの厚さを有しており、一緒に結合されている（例えば）８つのスタックされた要素超電導テープ１２を備えている。各要素超電導テープ１２は、既知の超電導テープのように、銀／銀クラッド７の中に、超電導材料、例えばＢＳＣＣＯ−２２２３のフィラメント５を備えている。典型的には、示されている完成製品では、各々の個別の要素超電導テープ１２は、５０μｍの厚さを有しており、フィラメント５自身は、１０〜４０μｍの典型的な厚さを有している。要素超電導テープ１２は、各々が、複合超電導テープの幅の半分に実質的に等しい幅を有しており、全幅銀ブリッジテープ１３を用いて２つのサブスタック１５に配置されており、サブスタック１５の間には、超電導フィラメントを実質的に含まないゾーン１６が存在する。
【００２１】
図２のテープは、スタックの頂端部及び底端部の両方に銀及び／又は銀合金テープ１３及び１４が存在することを除いて、同様である。
【００２２】
図面に示されている何れかの複合超電導テープを作成するためには、必要な数の要素超電導テープ１２が作成されなければならない。要素超電導テープ１２は、最初に、内径約８ｍｍ及び外径約１０ｍｍの銀又は銀合金のクリーンで乾燥したチューブに、ＢＳＣＣＯ−２２２３酸化物パウダー（又は、より一般的には、熱処理によってＢｉ−２２２３組成に変換可能な前駆体）を詰めこむことによって、作成される。それから、チューブの一端において、銀チューブの長さに応じて４ｃｍ〜６ｃｍの間の長さがスエージングされ、スエージングされた先端部が、詰め込み作業中のパウダーの損失を防ぐために、より小型のスエージングダイを使用して閉じられる。スエージング処理後に、チューブは再乾燥される。準備されたチューブはそれから、グローブボックス内の乾燥アルゴン中で、注意深く超電導パウダー（前駆体）で充填される。パウダーは、一度に少量ずつ加えられ、チューブが充填されるまで銀ロッドで突き固められる（タンピングされる）。チューブが充填された時点で、銀テープのプラグを使用してチューブが閉じられる。チューブが超電導パウダーで充填されて密封された後に、チューブは、大気中で冷えたオーブン内に配置され、温度を８３０℃まで上げて、その温度で５時間にわたって維持されることによって、脱ガス処理される。チューブはそれから、約１．１１ｍｍの直径になるまで、多段階にわたって引き延ばされる。引き延ばし工程は２７ステップで行われ、各ステップにおいて、チューブの断面積は約１５％ずつ減らされる。引き延ばし中に、チューブは、直径が２．５１ｍｍ及び１．９６ｍｍのときの２回にわたって、５００℃にて３０〜６０秒間アニールされる。
【００２３】
１．１１ｍｍワイヤはそれから、ロール直径２００ｍｍの圧延機により、０．８０、０．６５、０．５０、０．４０、０．３５、０．３０、０．２５、及び０．２２ｍｍのロールギャップを使用して、段階的により小さな厚さになるように多段階で圧延される。厚さ０．６５ｍｍ及び０．３５ｍｍにて、５００℃にて３０〜６０秒間、２回にわたってアニールされる。
【００２４】
要素超電導テープはそれから、等しい長さの８つの片にカットされ、図示されているように、必要とされる１つ又は２つのメタルテープ（厚さ約０．２２ｍｍ）を使用して、２つのスタックに積み重ねられる。要素超電導テープのスタックは、セラミック材料の型（フォーマー；former）の上に巻かれる（ターン間の結合を防ぐために、セラミックペーパ片が間にはさまれる）。段（columns）間にボイドが生成されるリスクを最小限にするために、スタック前に、（トリミング又は他の方法によって）要素超電導テープの端部を直角にしておくことが、望ましいことがある。要素超電導テープはそれから、８４０℃で約５時間にわたって加熱され、拡散結合を生じさせる。それから、室温まで冷却された後に、１．００（２つのメタルテープがあるとき）、０．８０、０．６５、０．５５、０．４５、０．３８、０．３５、及び０．３２ｍｍの連続的なロールギャップを使用して、多段階にて０．３２ｍｍまで圧延される。０．８０ｍｍ及び０．５５ｍｍにて、以前と同じ条件下でアニールされる。
【００２５】
複合超電導テープは、それから大気中で、冷えたオーブンから始まって８４０℃まで加熱され、その温度で５０時間にわたって保持されて、室温まで冷却され、同じ圧延機でロールギャップ０．２８ｍｍにて一度圧延される。最後に、酸素が７．５％で残りが窒素である雰囲気中で、冷えたオーブンから始まって８２５℃まで加熱され、その温度で４０時間にわたって保持されて、更に４０時間かけて７８５℃まで冷却される。この熱処理方法は、超電導材料の大きな体積部分が溶ける危険をおかすことなく、複合超電導テープを強固にし、テクスチュア形成を完了させ、前駆体を所望のＢＳＣＣＯ−２２２３相に変換させるために役立つ。
【００２６】
以上に説明した実施形態は、８つの要素超電導テープ１２を使用し、最終的な厚さが０．２５ｍｍ〜０．３ｍｍの間である。しかし、より多く又はより少ない要素超電導テープを使用することができ、サブスタックの幅、厚さ、及び数は、複合超電導テープの用途、並びに容量及び可とう性（フレキシビィティ）に対する適切な（しかし相容れないものではない）要求事項に依存して変化する。たいていの場合には、厚さと圧延減少分とのバランスは、フィラメント厚さが概して１０〜４０μｍの範囲であるようなものであるが、好ましくは、上記範囲の下限に近い。
【００２７】
所望の場合には異なる数のフィラメント、異なるピッチ、及び／又は異なるツイスト感（sense）又は方向を有するツイストされた（又はツイストされていない）多フィラメントテープも、スタックして一緒に結合されることができ、銀／銀合金の外側層を設けることも設けないこともできる。しかし、本発明は、ツイストされていないテープに対してと同じ効果が、ツイストされたテープに対して示されることを、期待するものではない。
【００２８】
本発明を特定の例を参照して説明してきたが、多くの他の形態で具現化され得ることを、当業者は理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にしたがった複合超電導テープの断面図である。
【図２】 本発明にしたがった複合超電導テープの他の実施形態の断面図である。

Claims (13)

1. 主面を接触させてお互いに平行にスタックされた複数の要素超電導テープを備える複合超電導テープであって、
   前記要素超電導テープが、単フィラメントテープであり、
   前記要素超電導テープが、ツイストされることなくスタックされており、
   前記要素超電導テープの隣接するスタックが、相互の端部において接触するように、前記要素超電導テープの複数のスタックが、複合超電導テープの幅方向に並べられており、
   少なくとも一つのブリッジテープが、前記要素超電導テープの複数のスタックをブリッジし、前記要素超電導テープの複数のスタック間を機械的に接続する、複合超電導テープ。
2. 各々が２つの対向する主面と前記主面の間に延びる２つの対向する端面とを有する複数の要素超電導テープから構成された複合超電導テープであって、
   前記要素超電導テープが、単フィラメントテープであり、
   複数の要素超電導テープを有する第１のスタックであって、該第１のスタック内の各テープが、ツイストされることなくスタックされており、そのスタック中の隣接する要素超電導テープの主面に接触している少なくとも一つの主面を有している、第１のスタックと、
   複数の要素超電導テープを有する第２のスタックであって、該第２のスタック内の各テープが、ツイストされることなくスタックされており、そのスタック中の隣接する要素超電導テープの主面に接触している少なくとも一つの主面を有している、第２のスタックと、
   前記２つのスタックが、相互の端部において接触するように、複合超電導テープの幅方向に並べられており、前記２つのスタックの間にスパンして、これらのスタックを実質的に平行な端部対端部構成に維持している少なくとも一つのブリッジテープと、
   を備えている、複合超電導テープ。
3. 前記要素超電導テープが、圧延されてからスタックされており、
   前記少なくとも一つのブリッジテープが、複数のスタックの主面に接触するが、端部には接触しないように配置されている、請求項１または２に記載の複合超電導テープ。
4. 全ての前記要素超電導テープが、複合超電導テープの幅の実質的に単純な分数である幅を有しており、超電導材料を含まない位置合わせゾーンを間に有する２つ以上のサブスタックを形成している、請求項１から３のいずれか一つに記載の複合超電導テープ。
5. 前記単純な分数が１／２であり、２つのサブスタックが存在している、請求項４に記載の複合超電導テープ。
6. 前記少なくとも一つのブリッジテープが複合超電導テープの全幅にわたっており、前記少なくとも一つのブリッジテープが銀又は銀合金材料から構成されている、請求項１から５のいずれか一つに記載の複合超電導テープ。
7. 前記スタックの各主面に一つずつ、２つの全幅メタルテープが存在する、請求項６に記載の複合超電導テープ。
8. 湾曲している複合超電導テープにおいて、湾曲部の凸側に位置する全幅メタルテープの強度は、湾曲部の凹側に位置する全幅メタルテープの強度より高い、請求項７に記載の複合超電導テープ。
9. 前記要素超電導テープは拡散結合されていて、その細長い構成要素は全て長手方向に延びている、請求項１から８のいずれか一つに記載の複合超電導テープ。
10. 前記要素超電導テープが全てパウダー・イン・チューブ型超電導テープである、請求項１から９のいずれか一つに記載の複合超電導テープ。
11. 各々が２つの対向する主面と前記主面の間に延びる２つの対向する端面とを有する複数の要素超電導テープから構成された複合超電導テープの製造方法であって、前記要素超電導テープが、単フィラメントテープであり、
    複数の要素超電導テープを有する第１のスタックであって、該第１のスタック内の各テープが、ツイストされることなくスタックされており、そのスタック中の隣接する要素超電導テープの主面に接触している少なくとも一つの主面を有している、第１のスタックを製造するステップと、
    複数の要素超電導テープを有する第２のスタックであって、該第２のスタック内の各テープが、ツイストされることなくスタックされており、そのスタック中の隣接する要素超電導テープの主面に接触している少なくとも一つの主面を有している、第２のスタックを製造するステップと、
    前記２つのスタックが、相互の端部において接触するように、前記複合超電導テープの幅方向に並べられており、前記２つのスタックの間にスパンして、これらのスタックを実質的に平行な端部対端部構成に維持するブリッジテープを配置するステップと、
    を備えている、方法。
12. 複数の要素超電導テープが、圧延されてからスタックされており、
    前記ブリッジテープが、複数のスタックの主面に接触するが、端部には接触しないように配置されている、請求項１１に記載の方法。
13. 前記複合超電導テープを圧延するステップを含む、請求項１２に記載の方法。

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