JP5016139B2 - 高温超伝導体積層ワイヤ用の2面接合部 - Google Patents
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Description
、または、基板材料中の酸素の、長時間に亘る拡散を防止する追加の利点を提供することができる。この拡散すなわち「汚染(poisoning)」は、結晶配列を分裂させ、そのため、超伝導体材料の電気的性質を低下させる。さらに、緩衝層120は、基板110と超伝導体層130との間の付着を強めることがある。さらに、緩衝層120は、超伝導体材料のそれによく一致する熱膨脹係数を有することがある。この技術の商用用途における実施のために、ワイヤが応力に晒される場合、それが基板から超伝導体層の形成間剥離を防止するのを助けることができるので、この特徴は望ましい。
側面でも内側面でもない。これらのアセンブリのうちの2つもまた、単一のHTSワイヤ・アセンブリを形成するためにそれぞれの銅ストリップに共に接合することができる。この場合、2つの基板は外方に面し、銅テープはアセンブリの真ん中にある。この場合、第2アセンブリの包含は、追加の電流容量を提供するが、HTS層への電気的な接触は、ワイヤを開いて結合するか、または、接触部分におけるインサートのうちの1つを部分的に除去することを必要とする。
ここに開示された実施形態は、HTS積層ワイヤ用の2面ジョイントに関する。該2面ジョイントは、第1積層HTSワイヤ(第1積層ワイヤの幅に亘るテーパを持つテーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上の緩衝層と、該緩衝層上の超伝導体層と、該超伝導体層上の空隙層と、該空隙層上の第2ラミネート層とを備える)と、第2積層HTSワイヤ(第2積層ワイヤの幅に亘るテーパを持つテーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上の緩衝層と、該緩衝層上の超伝導体層と、該緩衝層上の空隙層と、該空隙層上の第2ラミネート層とを備え、第1積層HTSワイヤのテーパ端部は第2積層HTSワイヤのテーパ端部に隣接し且つ結合している)と、第1積層HTSワイヤの第2ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第2ラミネート層とに電気的に接続されている第1HTSストラップと、第1積層HTSワイヤの第1ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第1ラミネート層とに近接したバッキング・ストラップとを備えている。
プは、バッキング・ストラップおよび第1HTSストラップの組合せにおいて0.5%の引張歪みを与えるのに必要な第1負荷が、第1積層ワイヤまたは第2積層HTSワイヤのいずれかにおいて0.5%の歪みを与えるのに必要な第2負荷未満となるように選択されることができる。
1つ以上の実施形態では、2面ジョイントを10cm以下の直径に曲げることによって、該ジョイントにおける物理的な欠陥が生じず、臨界電流が15%以上減少せず、接合部抵抗が5%以上増大しない。さらに、2面ジョイントは形成器上に螺旋状に巻かれ、形成器は、5cm以下の直径を有し、第1および第2厚肉積層ワイヤにおける1kg〜5kg未満の軸方向張力と、65mm以上のピッチとを有し、その結果、2面ジョイントと形成器との間の空隙は、1.5mm未満である。
ーパ端部に隣接し且つ結合している)と、第1積層HTSワイヤの第2ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第2ラミネート層とに電気的に接続されている上部サポートと、第1積層HTSワイヤの第1ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第1ラミネート層近傍の下部サポートとを備えている。ジョイントの材料および寸法は、第1積層HTSワイヤおよび第2積層HTSワイヤのHTS膜に中立軸を提供するように選択される。
イヤは、典型的には最大3MPa(30bar)までの信頼性を試験される。
用語「Ic」は、超電導ワイヤの臨界電流を指し示している。臨界電流は、超伝導体が保持することができる最大電流である。超伝導体中の電流が臨界電流を超える場合、超電導ワイヤはその超伝導性を失う。
「欠陥」は、3cm未満の直径を持ったワイヤにおける局所的な曲げ(屈曲)である。
00は、第2積層HTSワイヤ(図示せず)の相補的なテーパ端部を結合するテーパ端部250を備えている。ここで使用されるそれらの用語「相補的な」または「結合する」は、2本のワイヤのテーパ縁部が、同様であるが反対の配向であることを示すように意図されている。その結果、テーパ縁部を互いに対向させて配置したとき、2つのテーパはHTSワイヤと実質的に同様の寸法(例えば、幅、厚さ)のジョイント領域を形成する。第1ラミネート層210および第2ラミネート層240は、真鍮、ステンレス鋼、または銅、あるいは、亜鉛、鉛、錫、ニッケル、鉄、またはアルミニウムを含んだ合金であることができ、ワイヤを強化することができる。緩衝層225および空隙層235は、図1を参照して議論する緩衝層120および空隙層140と実質的に同様である。基板層220は、図1に示され、上で議論したHTSワイヤにおける基板層110と同様であり、例えば、5%のタングステンを含むニッケル合金の2軸構造化基板であることができる。HTS膜層は、連続して堆積した緩衝層225(例えば、エピタキシャル堆積させたY2O3、YSZ、およびCeO2の層)と、HTS酸化物層230(例えば、YBCOのエピタキシャル層(超伝導体層230))と、空隙層235(例えば、図1に示され、上で議論したようなAgおよびハンダ)とを備えている。電流は、超伝導体層230によって運ばれる。
。
それに亘って、電流が、第1積層HTSワイヤ200から頂部ストラップ370に、そして、第2積層HTSワイヤ300に送られ、したがって、接合部抵抗を低減する。ジョイントの長さの限定因子は、テーパ縁部の角度である。例えば、ジョイント360は、1.5cm〜約40cmの範囲の長さを有することが可能である。この場合、ジョイントは、単一のHTSワイヤほどの導電性を有しないことがあるが、ジョイントの電気抵抗は、結合されたワイヤが通常の動作電流を流すことを可能にする程度に、低く作られることが可能である。
ンス)によって製造されるサイド積層HTSテープ(PN 8600)当たりの25μm316Lステンレス鋼)上のHTS膜を含んでいる。さらに、HTSストラップ400は、イオンビーム支援堆積(IBAD)でコーティングを施した導体HTSストラップであることができる。さらに、HTSストラップ400は、スーパーパワー社(米国ニューヨーク州スケネクタディ)によって製造されるHTSワイヤの部分であることができる。HTSストラップ400は、頂部ストラップ370と同様の長さおよび幅を有することができる。
リップが頂部HTSストラップ400に挿入されるのと同様の方法で、底部HTSストラップ500に挿入された積層ストリップを有するように構成されることができる。
まり、ケーブル敷設用途での通常動作中に)、超伝導層に対する応力および歪みを低減する。この通常動作中における超伝導層上の応力および歪みの低減は、超電導ワイヤを通じた最適な電流の流れを可能にする。例えば、バッキング・ストラップは、該バッキング・ストラップに約0.3%〜0.5%の引張歪みを与える負荷が、第1HTSストラップに0.5%の引張歪みを与えるのに必要な第2負荷の30%〜150%の範囲内となるように、選択されることができる。このように、バックストラップに同じ歪みを取り込む負荷は、HTSストラップに同じ歪みを取り込む負荷とは異なることがある。加えて、バッキング・ストラップおよび第1HTSストラップは、バッキング・ストラップおよびHTSストラップの両方における歪みを取り込む負荷が、積層HTSワイヤ上で同じ負荷を与えるのに必要な負荷未満となるように、選択されることができる。例えば、バッキング・ストラップおよび第1HTSストラップの組合せにおける0.5%の引張歪みを与えるのに必要な負荷は、第1積層ワイヤまたは第2積層HTSワイヤのいずれかにおける0.5%の歪みを与えるのに必要な第2負荷未満となる。このように、第1HTSストラップおよびバッキング・ストラップは、それらがジョイントの剛性を実質的に増大させず、ジョイントの機械的連続性に実質的に影響しないように、選択される。
ある場合がある。アセンブリへの積層ストリップを強化するために使用される充填材によっては、Sn:PbおよびSn−Pb−Agは、充填材と同様の融点および同様の機械的強度を有することが可能であり、したがって、応力による層間剥離を生じさせることがあるハンダと充填材との間の熱的および機械的な誤った組合せを減少させることが可能である。例えば、使用される充填材およびハンダの両方がSn:Pbである場合、誤った組合せは無視でき、したがって、特に強いジョイントをもたらす。このように、幾つかの実施形態では、ハンダ「傾斜」372は、超伝導体層の欠陥、層間剥離、および/または劣化を緩和するために、図3に示されるものと同じ構成を有する必要はない。
も可能であるが、テーパ端部は、精密シヤーリングツールまたはクリッパで実現されることができる。次に、構成要素の表面は、拭取り清浄され、フラックスをつけられ、接合ハンダを再度流され、接合部固定具の必要な構造に配置される。
積層ストリップを互いに積層する方法は、積層するワイヤ(HTS/基板)を最初の清掃およびフラックス塗布ステーションからなるハンダ積層ラインに供給すること、溶融ハンダバス中に液浸させる一方で、積層ストリップおよびワイヤが工具によって結び付けられ、それらの横方向の位置決めを適切に維持する。次に、アセンブリは、ハンダ・チャンバから出て、ハンダを凝固すべく急速に冷却され、完全に接合した複合物を形成する。幾つかの構造の変形形態は、この方法によって容易に形成されることができ、それらは、4プライ(下で議論する)、3プライ、2プライ、および1プライHTSワイヤを含んでいる。3プライ構造は、2つの積層ストリップを備えることができ、1つは、ハンダによってHTS/基板ワイヤの一側に取り付けられ、HTS部分は、緩衝層と超伝導層とを備えることができる。基板ワイヤは、さらに、強化した湿潤および保護のための銀製「キャップ」層を含むことが可能である。2プライ構造は、HTS/基板ワイヤの基板側に積層された単一の積層ストリップ・ハンダを含むことができる(例えば、HTSストラップ・テープとして使用するために)。1プライ構造は、単にHTS/基板テープであることができ、0〜5μmの厚さ範囲の銀製の内側層と、約25μmの厚さのCu製の外側層(50μm程度の厚さである可能性がある)とを備える可能性がある。
一般に、本方法の工程は、与えられたものとは異なる順に実行されることができる。本方法の工程は、手動および/または自動で行なうことができる。例えば、ワイヤの端部の
カットは、手動で行なわれ、ハンダで湿潤した導電性ブリッジおよびワイヤを互いに押すことは、例えば、型の中で自動的に行なれることができる。なお、ジョイントは、2つの別々に製作したワイヤを接合するために単独で使用される必要がなく、ジョイントは、単一のワイヤの切れ目を補修するのに、または、一般には任意の2本のHTSワイヤ間の低抵抗電気的接続を提供するのにも有用である。
[構造化金属基板]
テンプレートは、約1〜10cmあるいはこれよりも大きい幅で提供される。随意に、それは構造化される。HTSワイヤ用の基板としての使用に適した構造化金属基板を作成する方法がまず記述される。第1ステーションでは、基板は、2軸構造を得るように処理される。好ましくは、基板表面は、比較的明確に定義された結晶学的な配向を有している。例えば、その表面は、2軸構造化面(例えば、(113)[211]面)または立方体構造化面(例えば、(100)[011]面または(100)[001]面)であることができる。好ましくは、表面110のX線回折極点図におけるピークは、約20°未満のFWHMを有している(例えば、約15°未満、約10°未満、または約5°〜約10°)。
分率のタングステン〜約20原子百分率のタングステン、約2原子百分率のタングステン〜約10原子百分率のタングステン、約3原子百分率のタングステン〜約7原子百分率のタングステン、約5原子百分率のタングステン)。二元合金は、さらに比較的少量の不純物を含むことができる(例えば、約0.1原子百分率未満の不純物、約0.01原子百分率の不純物、または約0.005原子百分率未満の不純物)。
上の要素が、例えば、この酸化物層における構造の不足によって、エピタキシャル層の堆積を著しく阻害することがある基板表面に熱力学的に安定した酸化物を形成すると予想される。
成する他の方法も使用されることができる。例えば、硫黄上部構造(例えば、c(2×2))は、中間層の表面に適切な有機溶液を塗布して適切なガス環境中で適切な温度で加熱することによって、形成されることができる。さらに、それは、基板材料に添加されることがある硫黄を、基板の表面に拡散させることによって得ることができる。
第2処理ステーションでは、緩衝層は、構造化基板上に形成される。
緩衝材の例は、銀、ニッケル、TbO、CeO2、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、Y2O3、Gd2O3、LaAlO3、SrTiO3、LaNiO3、LaCuO3、SrRuO3、NdGaO3、NdAlO3、および/または当業者に知られているような窒化物のような、金属および金属酸化物を含んでいる。
rr))を使用して、対象面で成長されることができる。対象面の温度は、例えば、約25℃〜約800℃(例えば、約500℃〜約800℃または約500℃〜約650℃)であることができる。
これらの方法は、2000年2月22日に発行された「エピタキシャル層を形成するための低真空処理」と題する米国特許第6,027,564号明細書、2000年2月8日に発行された「エピタキシャル層を備えた超伝導体物を形成するための低真空処理」と題する米国特許第6,022,832号明細書、および1998年1月15日に出願された「半導体材料のエピタキシャル層を形成するための低真空処理」と題する同一出願人の米国特許出願第09/007,372号明細書に記述されており、それらのすべては参照によってここに援用される。
を形成するために、高い基板温度が一般に好ましい。金属上に酸化物層を成長するための典型的な下限温度は、約200℃〜800℃、好ましくは500℃〜800℃、より好ましくは650℃〜800℃である。放射加熱、対流加熱、および伝導加熱などの様々な周知の方法が、短い長さの基板の(2cm〜10cm)に適している。しかしながら、より長い長さ(1m〜100m)に対しては、これらの技術はよく適さないことがある。さらに、製造工程における所望の高スループット率を得るために、基板は、その処理中に堆積ステーション間を移動されるかまたは移送されなければならない。特定の実施形態によれば、基板は、抵抗加熱によって(つまり、金属基板を通じた電流を通すことによって)加熱される。それは、長寸の製造工程に容易に拡張可能である。この手法は、これらの工程ゾーン間の迅速な移動を瞬間的に可能にする際に功を奏する。温度制御は、加熱される基板に供給される電力を制御するために、光高温計および閉ループ・フィードバック・システムを使用することによって達成されることができる。電流は、基板の少なくとも2つの異なるセグメントにおいて基板と接触する電極によって基板に供給されることができる。例えば、テープの形態の基板がリール間を渡される場合、リールは、それ自体電極として作用することができる。
Res.Soc.Symp.Proc.,col.495,263(1988)と、M.ParanthamanらのSuperconductor Sci.Tech.,vol.12,319(1999)と、D.J.LeeらのJapanese J.Appl.Phys.,vol.38,L178(1999)と、M.W.RupichらのI.E.E.E.Trans.onAppl.Supercon.vol.9,1527とに開示されている。
[前駆体層]
一旦緩衝層を備えた構造化基板が作成されると、前駆体溶液が、上述したようなステーションに堆積される。1つ以上の層は、所望の厚さおよび全体組成を有した前駆体層を形成するように堆積される。
幾つかの実施形態では、金属塩溶液は、比較的少量の遊離酸を有することがある。水溶液では、これは、比較的中性のpH(例えば、強酸性でも強アルカリ性でもない)を持った金属塩溶液に対応することがある。金属塩溶液は、超伝導体層が形成される下の層として使用されることができる種々様々な材料を使用して多層超伝導体を作成するために使用されることができる。
幾つかの実施形態では、金属塩溶液は、比較的小さい水含有量を有することができる(例えば、約50体積%未満の水、約35体積%未満の水、約25体積%未満の水)。
)を形成するために処理される場合、アルカリ土類酸化物(例えば、BaO)を形成する前にアルカリ土類ハロゲン化物化合物(例えば、BaF2、BaCl2、BaBr2、BaI2)を形成する、任意のアルカリ土類金属塩であることができる。そのような塩類は、例えば、構造式M’(O2C−(CH2)n−CXX’X’’(O2C−(CH2)m−CX’’’X’’’’X’’’’’)またはM’(OR)2を有することができる。M’は、アルカリ土類金属である。nおよびmは、それぞれ少なくとも1つであるが、塩類を溶剤に溶けないようにする数(例えば、1〜10)よりも少ない。X、X’、X’’、X’’’、X’’’’、およびX’’’’’の各々は、H、F、Cl、B、またはIである。Rは、ハロゲン化または非ハロゲン化炭素含有族であることができる。そのような塩類の例は、ハロゲン化された酢酸塩(例えば、トリフルオロ酢酸塩、トリクロロ酢酸塩、トリブロモ酢酸塩、トリヨード酢酸塩)を含んでいる。一般に、遷移金属は、銅である。遷移金属塩は、前駆体溶液に含有される溶剤に溶けるべきである。本発明の1つ以上の実施形態では、希土類およびアルカリ土類は、希土類酸化物およびアルカリ土類フッ化物に代えてまたは加えて、金属または混合金属オキシフルオライドを形成することができる。
考えられる。
次のステーションでは、前駆体成分が分解される。酸化物超電導体への前駆体成分の変換は、連続した厚い前駆体膜に対して以前報告されたように行なわれる。少なくとも1つのフッ化物含有塩類を含んだ前駆体成分の場合、加熱工程の第1工程が、所望の超伝導体材料の1つ以上のオキシフルオライド中間物に有機金属分子を分解するために行なわれる。
に、中間膜は、RE−123酸化物超電導体膜を形成するためにさらに処理されることができる。また、酸化物超電導体膜は、小さいが検出可能なフッ化物残留物を示している。
衡した、約101kPa(760Torr)の全ガス圧で、所定分圧の水蒸気(例えば、少なくとも約1.33kPa(10Torr)、少なくとも約2.00kPa(15Torr)、最大約3.33kPa(25Torr)、最大約2.67kPa(20Torr)、約2.27kPa(17Torr))を有することができる。コーティングを施したサンプルが炉温度に達した後、炉温度は、所定温度傾斜率(例えば、少なくとも毎分約0.5℃、少なくとも毎分約0.75℃、最大毎分約2℃、最大毎分約1.5℃、毎分約1℃)で上昇されることができる(例えば、少なくとも約225℃、少なくとも約240℃、最大約275℃、最大約260℃、約250℃に)。この工程は、第1加熱工程で使用されるものと同じ公称ガス環境で行なわれることができる。次に、炉の温度は、所定温度傾斜率(例えば、少なくとも毎分約5℃、少なくとも毎分約8℃、最大毎分約20℃、最大毎分約12℃、毎分約10℃)で、さらに上昇されることができる(例えば、少なくとも約350℃、少なくとも375℃、最大約450℃、最大約425℃、約450℃)。この工程は、第1加熱工程で使用されるものと同じ公称ガス環境で行なわれることができる。
次に、超伝導体中間膜は、さらなる処理ステーションで所望の超伝導体層を形成するために加熱されることができる。典型的には、この工程は、毎分約25℃超の温度傾斜、好ましくは毎分約100℃超の温度傾斜率、より好ましくは毎分約200℃超の温度傾斜率で、約室温から、約700℃〜約825℃の温度、好ましくは約740℃〜800℃の温度、より好ましくは約750℃〜約790℃の温度への加熱によって行なわれる。この工程は、中間のオキシフルオライド膜を形成するために使用される約400〜650℃の最終温度から開始されることもできる。この工程中、処理ガスは、膜にガス状反応物を供給し、膜からガス状反応生成物を除去するために、膜面に亘って流される。この工程中の公称ガス環境は、約13.3Pa(0.1Torr)〜約101kPa(760Torr)の全圧を有しており、約12.0Pa(0.09Torr)〜約6.67kPa(50Torr)の酸素と、約1.33Pa(0.01Torr)〜約20.0kPa(150Torr)の水蒸気と、約0Pa(0Torr)〜約100kPa(750Torr)の不活性ガス(窒素またはアルゴン)とから構成される。より好ましくは、公称ガス環境は、約20.0Pa(0.15Torr)〜約667Pa(5Torr)の全圧を有しており、約13.3Pa(0.1Torr)〜約133Pa(1Torr)の酸素と、約6.67Pa(0.05Torr)〜約533Pa(4Torr)の水蒸気とを含んでいる。
、約13.3Pa(0.1Torr)〜約133Pa(1Torr)の酸素と、約6.67Pa(0.05Torr)〜約533Pa(4Torr)の水蒸気とから構成される。
キャップ層堆積、酸素アニール、および第2ワイヤへの接合によるさらなる処理が行なわれる。低抵抗で機械的に強健なジョイントを使用してワイヤを接合することによって、脆い酸化物超電導体膜への損傷なしに、通電用途において使用可能な長さのワイヤが形成される。
低抵抗で薄型の2面接合部は、厚い強化YBCOでコーティングを施した導体テープ(つまり、図2〜図6に示したHTSワイヤ)を接続するために作られる。典型的な結合されたワイヤは、真鍮、銅、またはステンレス鋼を積層したストリップを有し、より詳しく下で記述するように、様々なハンダで形成される。さらに、幾つかの接合部は、スーパーパワー社のワイヤからなるYBCOワイヤと、基板(基板は、ヘインズ・インターナショナル社(インディアナ州ココモ)によって製造される耐食合金であるハステロイである)と、緩衝層と、YBCOシステムと、3.0μmのAg層と、約1μm〜約50μm、好ましくは約20μm〜約30μmの厚さを持った随意のCu層とから構成される。
様々な2面接合部ジョイントは、テーブル2に記述されるような異なるバッキングおよびHTSストラップ材料で作られ、試験された。テーブル2に記述される基本構造が製作および評価された。テーブル2は、様々な実施例、範囲の例、および様々な実施例において想定される範囲を列挙している。
接合されたサンプルは、上述したテープ(テーブル2)で作られた。テーブル3中のデータは、頂部および底部ストラップの相対的な厚さおよび幅の範囲を示している。このテーブルは、様々なサンプル・セット(1〜11)、接合部の種類、厚肉積層テープの材料、HTSストラップ、およびバックストラップのほか、それらのそれぞれの厚さおよび長さを列挙している。例えば、このテーブルに示すように、HTSストラップに対するバックストラップの相対的な厚さは、52%〜100%の範囲にあった。さらに、ストラップはすべて、厚肉積層HTSテープに対して90%〜105%幅の範囲内であった。さらに、テーブル3では、SSは、316Lステンレス鋼のワイヤを表わし、3プライは、積層−HTS−積層ワイヤ構造を表わし、SPは、ヘインズ・インターナショナル社(インディアナ州ココモ)によって製造される耐食合金HASTALLOYの基板、HTS膜を表わす(〜3umのAg層、サイドワイヤ当たり〜25umのCu外側層)。NM(通常金属)バックストラップ幅は、約4.31mmであり、厚肉積層テープ幅は、約4.4mmであり、積層HTSストラップ幅は、約4.4mmであり、SP HTSストラップ幅は、約4.0mmであり、umは、μmと同義である。
この試験は、ケーブル敷設がHTSワイヤを最大20気圧のLN2に暴露するので、HTSワイヤに対する適切な試験である。このように、HTSワイヤが低い温度および圧力にどれくらい良く耐えることができるかを判断するために有用である場合がある。試験装置は、HTSワイヤを含んだプレートと、プレートおよび加圧したLN2を含んだ内側LN2タンクと、77Kに加圧タンクを維持するために1.0気圧のLN2を含んだ外側タンクとからなる。
PTおよびケーブル敷設サイクルの信頼性処理の全体に亘る接合部抵抗の小さな増大を
示すが、依然として3μΩ未満のレベルである。
HTSワイヤに対して行なわれた第2試験は、接合部ケーブル敷設試験であった。この試験では、1mの長さの結合されたHTSテープは、ケーブル敷設の前後に試験されたIcおよび接合部抵抗でケーブル形成器上に螺旋状に巻かれる。次に、Icおよび接合部抵抗は、張力、形成器直径、およびケーブル敷設ピッチに相関付けられた。この試験の変形形態は、長いワイヤについて、シミュレートされたケーブル試験を行なうことである。
この試験では、テーブル5に示されるように、テーブル3に記述された結合サンプルを作るのに使用されるストラップ材料の引張荷重が評価された。テーブル5は、HTSストラップの種類、バックストラップの種類、同様の歪み%でのHTSストラップ負荷と比較して0.5%歪みのバックストラップ負荷を列挙している。テーブル5に列挙した範囲は、欠陥の緩和を含む、改善された曲げ特性を持った2面接合部構成を提供した。
を使用する。ソノトロードは、1つのワークの別のワークに対する振動を引き起こすために使用され、それは、ワーク間に多量の摩擦を生じさせる。この摩擦は、ワーク表面の不純物を除去し、その表面で共に金属を拡散させ、多量のワークの加熱をもたらさない結合を形成する。
次の文献が、参照によってその全体をここに援用される:1993年7月27日に発行された「MOD前駆体溶液からの高度に構造化された酸化物超電導膜の作成」と題する米国特許5,231,074号明細書;2000年2月8日に発行された「エピタキシャル層を備えた超伝導体物を形成する低真空処理」と題する米国特許第6,022,832号明細書;2000年2月22日に発行された「エピタキシャル層を形成するための低真空処理」と題する米国特許第6,027,564号明細書;2001年2月20日に発行された「無定形の表面堆積した岩塩状の構造を有した薄膜」と題する米国特許第6,190,752号明細書;2003年3月25日に発行された「配向した終端平面を備えた緩衝層を有する多層超伝導体」と題する米国特許第6,537,689号明細書;2000年10月5日に発行された「合金材料」と題する国際公開第00/58530号;2000年10月5日に発行された「合金材料」と題する国際公開第/58044号;1999年4月8日に発行された「改善された酸化抵抗を有した基板」と題する国際公開第99/17307号;1999年4月8日に発行された「超伝導体用の基板」と題する国際公開第99/16941号;1998年12月23日に発行された「酸化物伝導体への金属オキシフルオライドの制御された変換」と題する国際公開第98/58415号;2001年2月15日に発行された「多層物および該多層物を作る方法」と題する国際公開第01/11428号;2001年2月1日に発行された「多層物および該多層物を作る方法」と題する国際公開第01/08232号;2001年2月1日に発行された「多層物を作るための方法および組成」と題する国際公開第01/08235号;2001年2月1日に発行された「コーティングを施した導体厚膜前駆体」と題する国際公開第01/08236号;2001年2月1日に発行された「A.C.損失を減少させたコーティングを施した導体」と題する国際公開第01/08169号;2001年3月1日に発行された「表面制御合金基板およびそのための製造方法」と題する国際公開第01/15245号;2001年2月1日に発行された「強化した清浄度の酸化物層の形成」と題する国際公開第01/08170号;2001年4月12日に発行された「酸化物層反応速度の制御」と題する国際公開第01/26164号;2001年4月12日に発行された「酸化物層方法」と題する国際公開第01/26165号;2001年2月1日に発行された「強化した高温コーティングを施した超伝導体」と題する国際公開第01/08233号;2001年2月1日に発行された「超伝導体を作る方法」と題する国際公開第01/08231号;2002年4月20日に発行された「前駆体溶液および該前駆体溶液を作る方法」と題する国際公開第02/35615号;2005年12月22日に発行された「構造化金属面上の緩衝層の堆積」と題する国際公開第2005/121414号;2005年9月9日に発行された「ナノドット磁束ピニングセンタを備えた酸化皮膜」と題する国際公開第2005/081710号;2002年8月20日に発行された「酸化物青銅組成および該酸化物青銅組成で製造された構造化物」と題する米国特許第6,436,317号明細書;2001年7月31日に出願された「多層超伝導体および該多層超伝導体を作る方法」と題する米国仮特許出願第60/309,116号;2004年9月28日に発行された「超伝導体方法および反応器」と題する米国特許第6,797,313号明細書;2001年7月31日に出願された「超伝導体方法および反応器」と題する米国仮特許出願第60/308,957号;1999年11月18日に出願された「超伝導体物および組
成ならびに該超伝導体物を作る方法」と題する米国仮特許出願第60/166,297号;2005年12月13日に発行された「超伝導体物および組成ならびに該超伝導体物を作る方法」と題する米国特許第6,974,501号明細書;2004年9月29日に出願された「パターン化した酸化物超電導体の結露堆積」と題する米国特許出願第10/955,866号明細書;2005年9月30日に出願された「改善された性能を持った厚肉超伝導体膜」と題する米国特許出願第11/241,636号明細書;2004年9月29日に出願された「低交流損失の繊条質コーティングを施した超伝導体」と題する米国特許出願第10/955,875号明細書;2004年9月29日に出願された「スタックした繊条質コーティングを施した超伝導体」と題する米国特許出願第10/955,801号明細書;2005年3月31日に出願された「繊条質コーティングを施した超伝導体用のメッシュ型スタビライザ」と題する米国仮特許出願第60/667001号;2005年7月29日に出願された「高温超電導ワイヤ用の構造」と題する米国特許出願第11/193,262号明細書;2005年7月29日に出願された「高温超電導ワイヤおよびコイル」と題する米国仮特許出願第60/703,815号;2005年7月29日に出願された「改善された性能を備えた厚肉超伝導体膜」と題する米国仮特許出願第60/703836号;2005年8月19日に発行された「スタックした繊条質コーティングを施した超伝導体」と題する国際公開第06/021003号;2005年8月19日に発行された「低交流損失の繊条質コーティングを施した超伝導体」と題する国際公開第06/023826号;2006年1月10日に出願された「酸化物超電導膜をパターン化する方法」と題する米国仮特許出願第60/757855号;2006年3月30日に出願された「繊条質コーティングを施した超伝導体用のメッシュ型スタビライザ」と題する米国特許出願第11/393626号明細書;2006年7月21日に出願された「密封した高温超伝導体ワイヤの製造」と題する米国特許出願第11/490779号明細書;2006年7月21日に出願された「高電流で小型の柔軟な導体を包含した高温超伝導テープ」と題する米国仮特許出願第60/832716号;2006年7月21日に出願された「高温超伝導体ワイヤ用の低抵抗接合部」と題する米国仮特許出願第60/832724号;2006年7月25日に出願された「平面磁束ピニングセンタを有した高温超伝導体および該高温超伝導体を作るための方法」と題する米国仮特許出願第60/832871号;2006年11月16日に出願された「高温超伝導体における電気めっきを施した高抵抗スタビライザおよびその方法」と題する米国仮特許出願第60/866148号;2007年3月23日に出願された「高温超伝導体ワイヤ用の金属キャップ層の溶液ベースの堆積のためのシステムおよび方法」と題する米国特許出願第11/728108号明細書;2007年4月6日に出願された「改善した特性を有した高温超伝導体のための複合基板」と題する米国仮特許出願第60/922145号;2007年7月23日に出願された「高温超伝導体ワイヤ用の低抵抗接合部」と題する米国特許出願第11/880,586号明細書;および2006年7月21日に出願された「高温超伝導体ワイヤ用の低抵抗接合部」と題する米国特許出願第60/832,724号明細書。
Claims (45)
- HTS積層ワイヤ用の2面ジョイントにおいて、
第1積層HTSワイヤであって、該第1積層ワイヤの幅に亘るテーパを持つテーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上の緩衝層と、該緩衝層上の超伝導体層と、該超伝導体層上の空隙層と、該空隙層上の第2ラミネート層とを備える、第1積層HTSワイヤと、
第2積層HTSワイヤであって、該第2積層ワイヤの幅に亘るテーパを持つテーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上の緩衝層と、該緩衝層上の超伝導体層と、該超伝導体層上の空隙層と、該空隙層上の第2ラミネート層とを備え、第1積層HTSワイヤのテーパ端部は第2積層HTSワイヤのテーパ端部に隣接し且つ結合している、第2積層HTSワイヤと、
第1積層HTSワイヤの第2ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第2ラミネート層とに電気的に接続されている第1HTSストラップと、
第1積層HTSワイヤの第1ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第1ラミネート層とに近接したバッキング・ストラップとを備える2面ジョイント。 - 第1HTSストラップは、空隙層と、該空隙層上の超伝導体層と、該超伝導体層上の緩衝層と、該緩衝層上の基板層とを備え、該空隙層は、第1積層HTSワイヤの第2ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第2ラミネート層とに隣接するとともに電気的に接続されている請求項1記載の2面ジョイント。
- 第1HTSストラップは、その基板層上のラミネート層をさらに備える請求項2記載の2面ジョイント。
- 第1HTSストラップは、該HTSストラップの空隙層と前記第1および第2HTSワイヤとの間に介在する第2ラミネート層をさらに備える請求項3記載の2面ジョイント。
- 前記バッキング・ストラップは、第1HTSストラップの厚さの50%〜150%になるように選択される請求項1記載の2面ジョイント。
- 第1HTSストラップおよび前記バッキング・ストラップは、それぞれ第1積層HTSワイヤおよび第2積層HTSワイヤの幅の90%〜105%となるように選択される請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記バッキング・ストラップは、前記バッキング・ストラップにおいて0.5%の引張歪みを与える第1負荷が、第1HTSストラップに0.5%の引張歪みを与えるのに必要な第2負荷の30%〜150%の範囲内になるように選択される請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記バッキング・ストラップおよび第1HTSストラップは、前記バッキング・ストラップおよび第1HTSストラップの組合せにおいて0.5%の引張歪みを与えるのに必要な第1負荷が、第1積層ワイヤまたは第2積層HTSワイヤのいずれかにおいて0.5%の歪みを与えるのに必要な第2負荷未満となるように選択される請求項1記載の2面ジョイント。
- 電気的な接続は、溶融温度が240℃未満の金属または合金を含む請求項1記載の2面ジョイント。
- 電気的な接続は、常温抵抗が50μΩcm未満の金属または合金を含む請求項1記載の2面ジョイント。
- 電気的な接続は、Pb、Sn、Ag、Cu、またはInのうちのいずれかを含有する金属または合金である請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記バッキング・ストラップは、第2HTSストラップを備える請求項1記載の2面ジョイント。
- 第2HTSストラップは、基板層と、該基板層上の緩衝層と、該緩衝層上の超伝導体層と、該超伝導体層上の空隙層とを備え、該空隙層は、第1積層HTSワイヤの第1ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第1ラミネート層とに隣接するとともに電気的に接続されている請求項12記載の2面ジョイント。
- 第2HTSストラップは、その基板層に近接したラミネート層をさらに備える請求項13記載の2面ジョイント。
- 第2HTSストラップは、導電性の空隙層と第1および第2HTSワイヤとの間に介在する第2ラミネート層をさらに備える請求項14記載の2面ジョイント。
- 第1積層HTSワイヤおよび第2積層HTSワイヤは各々、その第1ラミネート層とその基板層との間に介在する非積層HTSワイヤをさらに備え、該非積層HTSワイヤは、該第1ラミネート層上の第2空隙層と、該空隙層上の第2HTS膜層と、該第2HTS膜層上の第2緩衝層と、該第2緩衝層上の第2基板層とを備え、前記非積層HTSワイヤの空隙層は該第1ラミネート層と電気的に接続されている請求項1記載の2面ジョイント。
- 第2HTSストラップは第1ラミネート層と電気的に接続されている請求項12記載の2面ジョイント。
- 前記バッキング・ストラップは、アルミニウム、亜鉛、銅、銀、ニッケル、鉄、クロム、鉛、またはモリブデンを含有する金属または合金を含む請求項1記載の2面ジョイント。
- 第1積層HTSワイヤおよび第2積層HTSワイヤは各々、250μm以上の厚さを有する請求項1記載の2面ジョイント。
- 第1積層HTSワイヤおよび第2積層HTSワイヤは各々、300μm以上の厚さを有する請求項1記載の2面ジョイント。
- 第1HTSストラップは、250μm未満の厚さを有する請求項1記載の2面ジョイント。
- 第1HTSストラップは、50μm〜200μmの厚さを有する請求項1記載の2面ジョイント。
- 第1HTSストラップの長さは、前記バッキング・ストラップの長さよりも2%〜70%長い請求項1記載の2面ジョイント。
- 第1HTSストラップの長さは、前記バッキング・ストラップの長さよりも20%〜50%長い請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記積層ワイヤの長手方向軸に対する各々の第1テーパ端部の角度は、3度〜50度の範囲である請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記テーパ端部の各々は、0.4cm〜10cmの長さを有する請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記HTSストラップは、2cm〜26cmの長さを有する請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記HTSストラップは、5cm〜26cmの長さを有する請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記バッキング・ストラップは、6cm〜16cmの長さを有する請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記バッキング・ストラップは、1.5cm〜25cmの長さを有する請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記各積層ワイヤの積層部は、真鍮、ステンレス鋼、もしくは銅からなる材料、または、亜鉛、鉛、銀、錫、ニッケル、鉄、およびアルミニウムを含有する合金から選択される請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記ジョイントを介した抵抗は、77K〜293Kの温度範囲において3.0μΩ未満である請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記2面ジョイントを10cm以下の直径に曲げることによって前記ジョイントに物理的な欠陥が生じない請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記ジョイントを10cm以下の直径に曲げることによって臨界電流が15%以上減少しない請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記ジョイントを10cm以下の直径に曲げることによってジョイントの抵抗が5%以上増大しない請求項1記載の2面ジョイント。
- 前記2面ジョイントは形成器上に螺旋状に巻かれ、前記形成器は、5cm以下の直径を有し、前記2面ジョイントと形成器との間の空隙が1.5mm未満であるように、第1および第2厚肉積層ワイヤにおける0.1kg〜7kgの軸方向張力と、65mm以上のピッチとを有する、請求項1記載の2面ジョイント。
- HTS積層ワイヤ用の2面ジョイントにおいて、
第1積層HTSワイヤであって、該第1積層HTSワイヤの幅に亘るテーパを持つ第1テーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上のHTS膜層と、該HTS膜層上の第2ラミネート層とを備える、第1積層HTSワイヤと、
第2積層HTSワイヤであって、該第2積層HTSワイヤの幅に亘るテーパを持つ第1テーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上のHTS膜層と、該HTS膜層上の第2ラミネート層とを備え、第1積層HTSワイヤの第1テーパ端部がは第2積層HTSワイヤの角度を持ったテーパ端部に隣接し且つ結合している、第2積層HTSワイヤと、
第1積層HTSワイヤの第2ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第2ラミネート層とに電気的に接続されている上部サポートと、
第1積層HTSワイヤの第1ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第1ラミネート層とに近接した下部サポートとを備え、
前記ジョイントの材料および寸法は、第1積層HTSワイヤおよび第2積層HTSワイヤのHTS膜に中立軸を提供するように選択される2面ジョイント。 - HTS積層ワイヤ用の2面ジョイントにおいて、
第1積層HTSワイヤであって、第1テーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上のHTS膜層と、該HTS膜層上の第2ラミネート層とを備える、第1積層HTSワイヤと、
第2積層HTSワイヤであって、第1テーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上のHTS膜層と、該HTS膜層上の第2ラミネート層とを備え、第1積層HTSワイヤの第1テーパ端部は第2積層HTSワイヤのテーパ端部に隣接し且つ結合している、第2積層HTSワイヤと、
第1積層HTSワイヤの第2ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第2ラミネート層とに電気的に接続されている第1HTSストラップと、
第1積層HTSワイヤの第1ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第1ラミネート層とに近接したバッキング・ストラップとを備え、
前記ジョイントの材料および寸法は、前記ジョイントに亘り連続した機械的応力を提供するように選択される2面ジョイント。 - 超伝導体ケーブルであって、
形成器と、
複数のHTSワイヤであって、少なくとも1つのワイヤが、1つ以上の2面ジョイントと、該2面ジョイントの各々と前記形成器との間の1つ以上の空隙とを有する、複数のHTSワイヤと、を備え、
前記1つ以上の2面ジョイントは、
第1積層HTSワイヤであって、該第1積層HTSワイヤの幅に亘るテーパを持つ第1テーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上のHTS膜層と、該HTS膜層上の第2ラミネート層とを備える、第1積層HTSワイヤと、
第2積層HTSワイヤであって、該第2積層HTSワイヤの幅に亘るテーパを持つ第1テーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上のHTS膜層と、該HTS膜層上の第2ラミネート層とを備え、第1積層HTSワイヤの第1テーパ端部は第2積層HTSワイヤの角度を持ったテーパ端部に隣接し且つ結合している、第1積層HTSワイヤと、
第1積層HTSワイヤの第2ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第2ラミネート層とに電気的に接続されている上部サポートと、
第1積層HTSワイヤの第1ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第1ラミネート層とに近接した下部サポートとを備える、超伝導体ケーブル。 - 前記形成器は、5cm以下の直径を有する請求項39記載の超伝導体ケーブル。
- 前記空隙は、1.5mm未満である請求項39記載の超伝導体ケーブル。
- 前記複数のワイヤは、1kg〜5kgの軸方向張力および65mm以上のピッチで形成器に螺旋状に巻かれている請求項39記載の超伝導体ケーブル。
- 超電導ワイヤを巻く方法であって、
1つ以上の2面ジョイントを形成すべく1つ以上のHTSワイヤを接合する工程と、
前記1つ以上のHTSワイヤを形成器の周囲に螺旋状のパターンで巻く工程と、
前記2面ジョイントと前記形成器との間に空隙を形成する工程とを含み、
前記1つ以上の2面ジョイントは、
第1積層HTSワイヤであって、該第1積層HTSワイヤの幅に亘るテーパを持つ第1テーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上のHTS膜層と、該HTS膜層上の第2ラミネート層とを備える、第1積層HTSワイヤと、
第2積層HTSワイヤであって、該第2積層HTSワイヤの幅に亘るテーパを持つ第1テーパ端部を有し、第1ラミネート層と、該第1ラミネート層上の基板層と、該基板層上のHTS膜層と、該HTS膜層上の第2ラミネート層とを備え、第1積層HTSワイヤの第1テーパ端部は第2積層HTSワイヤの角度を持ったテーパ端部に隣接し且つ結合している、第2積層HTSワイヤと、
第1積層HTSワイヤの第2ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第2ラミネート層とに電気的に接続されている上部サポートと、
第1積層HTSワイヤの第1ラミネート層と第2積層HTSワイヤの第1ラミネート層とに近接した下部サポートとを備える、超電導ワイヤを巻く方法。 - 前記複数のワイヤは、1kg〜5kgの軸方向張力および65mm以上のピッチで形成器に螺旋状に巻かれる請求項43記載の超電導ワイヤを巻く方法。
- 前記空隙は、1.5mm未満である請求項43記載の超電導ワイヤを巻く方法。
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