JP5085931B2 - 新規な超伝導物品、及びそれを形成する及び使用する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、超伝導を行なうあるいは超伝導体要素に関し、特に、新規な超伝導テープ、これを組み入れた電力要素、及びこれを利用し、製造する方法に関する。

超伝導材料は、技術コミュニティによって長く知られて来ており、理解されている。液体ヘリウム（4.2K）の使用を必要とする温度で超伝導性を示す低温（low-Tc）超伝導体は、１９１１年頃から知られて来ている。しかしながら、最近になってやっと、酸化物を基礎とした高温（high-Tc）超伝導体が発見された。１９８６年頃に、まず、液体窒素温度（77K）以上の温度で超伝導特性をもつ高温超伝導体（ＨＴＳ）、すなわち、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x（ＹＢＣＯ）が発見され、続いて、ここ１５年間で、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_10+y（ＢＳＣＣＯ）や、他のもの、を含むさらなる材料が発見されている。高温Tc超伝導体の開発は、液体ヘリウムに基づいたかなり大変高価な極低温の構造基板よりむしろ、そのような超伝導体を液体窒素とともに動作させる費用に一部依存して、このような材料を組み込んだ超伝導体要素の可能性のある、経済的に実現可能な開発をもたらした。

無数の可能性のある応用の中で、産業は、発電、送電、配電、蓄電への応用を含む電力産業において、そのような材料の使用の展開を求めて来た。この点に関し、銅をベースにした商用電源部品の性来の抵抗は、電気のかなりの損失の原因となると評価されており、従って、電力産業は、送電、及び配電電力ケーブル、発電機、変圧器、及び漏電遮断器のような電力部品において、高温超伝導体の利用に基づいた大きな効果を得ようとしている。さらに、電力産業における、高温超伝導体の利益は、従来技術に対する、電力処理容量の１〜２桁の大きさの増加、電源設備の大きさ（すなわち、設置面積）の大幅な減少、削減された環境的な影響、よりすぐれた安全性、及び増加した容量を含む。高温超伝導体のそのような可能性のある利益は、まだ依然として人をひきつけたままであるが、数多くの技術的な挑戦が、高温超伝導体の製造および商品化において大規模に存在しつづけている。

高温超伝導体の商品化に関係する多くの挑戦の中には、その多くは、種々の電力部品の形成に利用することのできる超伝導テープの製造の周辺に存在する。ＨＴＳテープの第一世代は、上述したＢＳＣＣＯ高温超伝導体の使用を含む。この材料は一般的に、通常銀である貴金属のマトリックス中に埋め込まれている、離散的なフィラメントの形状の中に設けられる。そのような伝導体は、電力産業において実現するに必要な拡張された長さにおいて（例えば、数キロメートルのオーダー上で）作られ得るが、材料及び製造コストのために、そのようなテープは、商業的に実現可能な製品を提示しない。

従って、優れた商業的な実行可能性をもつ、いわゆる第二世代ＨＴＳテープにおいて多くの関心が生まれて来た。これらのテープは、代表的に、層構造に依拠しており、一般に、少なくとも一つのバッファ層が基板上にあり、該バッファ層が任意に複数の膜を含んでおり、HTS層が前記バッファ層の上にあり、電気的安定化剤層が前記超伝導層の上にあり、これは代表的には少なくとも１つの貴金属よりなる、そのような機械的支持、を与えるフレキシブル基板を含んでいる。しかしながら、今日まで、数多くの工学的な、かつ、製造上の挑戦が、このような第二世代テープの完全な商業化の前に残っている。

従って、前述のことに鑑み、多くの必要が、超伝導体の技術において、特に、商業的に実現可能な超伝導テープを与えること、それを形成する方法、及びそのような超伝導テープを利用する電力部品の提供において存在し続けているものである。
米国特許第6,309,767号明細書 米国特許第6,271,474号明細書 米国特許第6,187,166号明細書 米国特許第5,480,861号明細書 米国特許第4,652,346号明細書 米国特許第4,560,445号明細書 米国特許第3,954,572号明細書

本願の第１の側面によれば、超伝導物品が提供され、これは、基板と、該基板を覆うバッファ層と、該バッファ層を覆う超伝導体層と、該超伝導体層を覆う電気メッキされた安定化剤層と、からなる。特定の特徴によれば、該安定化剤層は、主に、銅、アルミニウム、及びそれらの合金からなる非貴金属で形成することができる。貴金属層は、前記安定化剤層と、前記超伝導体層との間に設けることができる。前記電気メッキされた安定化剤層は、前記基板の２つの対向する主面のうちの1つ、両主面の上に横たわることができ、あるいは前記基板、バッファ層、および超伝導体層を密封することができる。該物品は、比較的高いアスペクト比のテープの形のものであり得る。

本発明のもう１つの側面によれば、超伝導テープを形成する方法が提供され、これは、基板を準備すること、前記基板の上に横たわるバッファ層を堆積すること、前記バッファ層の上に横たわる超伝導体層を堆積すること、を含む。さらに、電気メッキステップが、前記超伝導体層の上に横たわる安定化剤層を堆積させるために実行される。

本発明のもう１つの側面によれば、電力ケーブルが、複数の超伝導性テープを含んで設けられ、該超伝導性テープは、上記本発明の第１の側面に従って設けられる。

本発明のさらに他の側面によれば、電力変圧器が、１次および２次巻線を含んで設けられ、該巻線のうちの少なくとも１つは、本発明の第１の側面にしたがって設けられた超伝導性テープの巻回されたコイルを含む。

本発明のさらに他の側面によれば、発電機が、ローターコイルよりなる電磁石を含むローターと連結されたシャフト、および、前記ローターを取り囲む伝導性巻線よりなるステーターを含んで設けられる。前記ローターコイル、および／または伝導性巻線は、一般に上記した本発明の第１の側面にしたがった超伝導性テープを含む。

本発明のさらに他の側面によれば、上記物品は、送電網が設けられ、これは、電気力の発生、伝送、および配電のための多数の要素を含む。すなわち、該パワーグリッドは、発電機を含む発電ステーション、複数の電力変圧器を含み、前記発電ステーションからの電力を受け、送電のために電圧をあげる送電サブステーション、および該送電サブステーションからの電力を伝送するための複数の電力伝送ケーブルを含む。該電力の配電は、電力伝送ケーブルからの電力を受ける電力ステーションの利用によってなされ、該電力ステーションは、配電のために電圧を下げる複数の電力変圧器、および電力をエンドユーザに分配する複数の電力配電ケーブルを含む。本発明のこの側面の特定の特徴によれば、上記した電力網要素のうちの少なくとも１つは、上記した本発明の第１の側面に従って設けられた、複数の超伝導性テープを含む。

またさらに、本発明のもう１つの側面は、ときどき、ケーブルを“引く（pulling）”とも言われる、電力ケーブルを、敷設する方法を、与える。該方法は、電力ケーブルのコイルを設け、かつ、電力ケーブルを導管内に挿入する際に該コイルを、巻きほどく、ここで、導管は地下の利用導管である、ことを要求する。該電力ケーブルの構造は上記したとおりであり、本発明の第１の側面に従った複数の超伝導性テープを含む。

本発明は、添付図面に参照することによって、より良く理解されるであろう、また、その多くの目的、特徴、および利点が、当業者に明らかにされるであろう。

（実施の形態１）
図１に戻って、本発明の１つの実施形態によるＨＴＳ伝導体の一般的な層構造が描写されている。該ＨＴＳ導電体は、基板１０と、該基板１０の上に横たわるバッファ層１２ａと、通常貴金属の層である、キャッピング層１６ａがそれに続くＨＴＳ層１４ａと、通常非貴金属よりなる、安定化剤層１８ａとを含む。

上記基板１０は、一般に金属ベースのものであり、代表的には、少なくとも２つの金属元素の合金である。特に、適切な基板材料は、例えば、公知のインコネル（Inconel、登録商標）グループの合金等の、ニッケルベースの金属合金を含む。このインコネル（商標登録）合金は、膨張率、熱伝導率、キュリー温度、引張強度、降伏強度、および伸びを含む、望ましい熱的、化学的、及び力学的特性をもつ傾向にある。これらの金属は、代表的には、リールツーリールテープ処理を利用する、ＨＴＳテープの製造に特に適している、スプールドテープの形で、一般に商業的に利用可能である。

上記基板１０は、代表的には、高いアスペクト比をもつテープ状の形状をしている。例えば、該テープの幅は、一般に、約０．４〜１０ｃｍのオーダーであり、該テープの長さは、代表的に、少なくとも約１００ｍであり、最も典型的には約５００ｍより大きい。実際、本発明の実施の形態は、１ｋｍまたはそれ以上のオーダーの長さをもつ基板１０を含む超伝導テープを与えている。

従って、該基板は、１０³より小さくないオーダーの、あるいは１０⁴よりさえも小さくない、大変高いアスペクト比をもつことができる。ある実施の形態（複数）は、さらに長く、１０⁵及びそれより高いアスペクト比をもつ。ここで使用されているように、「アスペクト比」という用語は、基板またはテープの長さの、次の最も長い寸法、該基板又はテープの幅、に対する比を示すのに用いられている。

ある実施の形態において、基板は、ＨＴＳテープの構成層の連続する堆積に望ましい表面特性をもつように扱われる。例えば、該基板は、望ましい平面性と、表面粗さにまで、軽く磨くことができる。さらに、上記基板は、公知のＲＡＢｉＴＳ（ロールアシスト二軸織目加工基板）技術などにより、該分野において理解されているように、二軸織目加工処理がなされてもよい。

バッファ層１２ａに戻って、該バッファ層は、一層であってもよく、あるいはより一般的であるように、複数の膜から作られていてもよい。より代表的には、上記バッファ層は、一般に面内と面外の両方に結晶軸に沿って整列している結晶性織目をもつ二軸織目加工膜を含む。そのような二軸織目加工は、ＩＢＡＤによって達成されてもよい。技術において理解されているように、ＩＢＡＤは、イオンビームアシステッドデポジションを表す頭字語であり、優れた超伝導特性のための望ましい結晶学方位をもつＨＴＳ層の連続的形成にとって適したように織目加工されたバッファ層を形成するために有益に利用され得る技術である。酸化マグネシウムは、ＩＢＡＤ膜のために選択される代表的な材料であり、例えば、５０〜２００オングストロームなど、およそ５０〜５００オングストロームのオーダーとすることができる。一般に、ＩＢＡＤ膜は、参照でここに取り入られたＵＳ特許６，１９０，７５２で定義され、開示された岩塩のような結晶構造をもつもので、該US特許は、参照によりここに組み入れられる。

バッファ層は、例えば、直接接触され、ＩＢＡＤ膜と基板に、直接接触し、かつ両者の間に位置するバリア膜などのような付加的なフィルムを含むことができる。この点で、上記バリア膜は、例えばイットリウムのようなオキサイドにより有利に形成され、基板をＩＢＡＤ膜から基板を分離するように機能する。上記バリア膜は、また、例えば窒化ケイ素や炭化ケイ素のような非オキサイドで形成されてもよい。バリア膜の堆積のための適切な技術は、化学蒸着やスパッタリングを含む物理蒸着を含む。上記バリア膜の代表的な厚みは、約１００〜２００オングストロームの範囲内であろう。さらに、上記バッファ層はまた、ＩＢＡＤ膜上に形成されたエピタキシャル成長膜を含んでもよい。このような文脈において、上記エピタキシャル成長膜は、ＩＢＡＤ膜の厚みを増加するのに有効であり、主に例えばＭｇＯのようなＩＢＡＤ層に利用されるのと同じ材料で、望ましくは形成されていてもよい。

ＭｇＯベースのＩＢＡＤ膜及び／またはエピタキシャル膜を利用する実施の形態において、ＭｇＯ材料と、超伝導体層の材料との間には、格子不整合が存在する。したがって、上記バッファ層は、さらにもう１つのバッファ膜を含んでもよく、これは特に、ＨＴＳ層とその下にあるＩＢＡＤ層及び／またはエピタキシャルフィルムとの間の格子定数の不整合を減らすために実施される。このバッファ膜は、例えばＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）ストロンチウムルテニウム酸塩や、ランタンマンガン酸塩や、一般的に、ペロブスカイト構造のセラミック材料などのような材料で形成されてもよい。上記バッファ膜は、種々の物理蒸着技術によって堆積されてもよい。

上記は、主に、ＩＢＡＤなどの織目加工処理による、バッファスタック（層）における二軸織目加工フィルムの実行に焦点を当てたが、他の方法として、基板表面それ自身が、二軸に織目加工されてもよい。この場合、上記バッファ層は、一般に、該バッファ層における二軸織目加工を保つように、その織目加工された基板上にエピタキシャル成長される。二軸織目加工された基板を形成するための１つのプロセスは、一般的に技術において理解されているように、ＲＡＢｉＴＳ（ロールアシスト二軸織目加工基板）として知られているプロセスである。

上記高温超伝導体（ＨＴＳ）層１４ａは、通常、液体窒素の温度，７７Ｋ，以上で超伝導特性を示す高温超伝導性材料のいずれかから代表的に選択される。そのような材料は、例えば、YBa₂Cu₃O_7-xや、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+yや、Ti₂Ba₂Ca₂Cu₃O_10+yや、HgBa₂ Ca₂Cu₃O_8+yを含み得る。材料の一つのクラスは、REBa₂Cu₃O_7-xを含み、ここで、REが希土類元素である。上記のうち、一般的にYBCOとも呼ばれるYBa₂Cu₃O_7-xは、有利に利用することができる。上記ＨＴＳ層１４ａは、厚膜及び薄膜形成技術を含む種々の技術のうちの任意の１つによって形成することができる。好ましくは、例えばパルスレーザー堆積（PLD）などの薄膜物理蒸着技術が、高堆積速度のために利用でき、また、化学蒸着技術が、低コストで大面積処理のために利用できる。代表的に、上記ＨＴＳ層は、該ＨＴＳ層１４ａに関連する望ましい電流定格を得るために、最も代表的には、例えば約２〜約１０ミクロン等の、約２〜約２０ミクロンである、約１から約３０ミクロンの厚みをもつ。

上記キャッピング層１６ａ及び安定化剤層１８ａは、一般に電気的安定化のために組み入れられ、実用化においてＨＴＳ断線の防止を助ける。特に、層１６ａおよび１８ａは、冷却不足あるいは臨界電流密度が限度を超え、該ＨＴＳ層が超伝導状態から移行して抵抗性となる場合に、ＨＴＳ伝導体に沿っての電流の連続した流れを助ける。通常、安定化剤層とＨＴＳ層１４ａとの間の望まれない相互作用を避けるために、貴金属がキャッピング層１６ａに利用される。代表的な貴金属には、金、銀、プラチナ、パラジウムを含む。銀が、そのコストと一般的な入手しやすさのために使用される。上記キャッピング層１６ａは、通常、上記安定化剤層１８ａからＨＴＳ層１４ａ中への化合物の望まれない拡散を避けるのに十分な厚みをもつように作られるが、一般的にはその費用の問題（原料と処理コスト）のために薄く作られる。上記キャッピング層１６ａの代表的な厚みは、例えば、０．５〜約５．０ミクロンなどのように、約０．１〜約１０．０ミクロン以内の範囲にある。例えばＤＣマグネトロンスパッタリングなどのような物理蒸着を含む様々な技術が、上記キャッピング層１６ａの堆積に使用される。

本発明の実施の形態のある特定の特徴によると、安定化剤層１８ａが超伝導体層１４ａの上に横たわるように組み入れられており、特に図１に示される特定の実施の形態においては、上記キャッピング層の上に横たわり、これに直接接触する。上記安定化剤層１８ａは、厳しい環境条件や超伝導性のクエンチに対する安定性を強めるための保護／並列層として機能する。該層は、一般的に、密度が高く、熱的にかつ電気的に伝導性があり、上記超伝導体層における失敗が生じた場合に電流をバイパスするように機能する。従来、そのような層は、上記超伝導体テープ上にあらかじめ形成されたストリップを、例えば、はんだやフラックスなどのような接着材を使用して積層することによって形成されて来た。他の技術は、代表的には、スパッタリングである物理蒸着に焦点が当てられて来た。しかしながら、そのような応用技術は、値段が高く、特に、大規模製造動作に経済的に耐えられるものではなかった。本実施の形態の特定の特徴によれば、安定化剤層１８ａは、電気メッキによって形成される。この技術によれば、電気メッキは、超伝導テープ上に、厚い材料層をすばやく堆積するために用いることができ、熱的にかつ電気的に伝導性の金属の高密度層を有効に製造する、比較的低コストのプロセスである。一つの特徴によれば、上記安定化剤層は、例えば、約３００℃より低い融点をもつ（フラックスを含む）はんだ層のような中間的接着層を使用することなしに、あるいはそれに頼ることなしに、堆積される。

電気メッキ（また電着としても知られている）は、一般に、堆積される金属のイオンを含む溶液中に超伝導性テープを浸漬することによって実行される。上記テープの表面は、外部電源に接続され、電流が該表面を通って上記溶液内に通過し、金属（M）を形成する金属イオン（Ｍ^2-）の電子（ｅ^-）との反応を引き起こす。

Ｍ² ＋ ｚｅ^- ＝ Ｍ

上記キャッピング層１６ａは、その上に銅を堆積するためのシード層として機能する。安定化剤金属を電気メッキする特定の場合において、上記超伝導性テープは、一般に、例えば、硫酸銅溶液等の、第２銅イオンを含む溶液中につけられる。キャッピング層１６ａに対して電気的接触がなされ、反応Ｃｕ²⁺＋２ｅ^-→Ｃｕが、該キャッピング層１６ａの表面で起こるように、電流が流れる。キャッピング層１６ａは、溶液内で陰極として機能し、金属イオンがＣｕ金属原子に還元され、テープ上に堆積される結果となる。一方、銅を含む陽極は、溶液内に置かれ、そこで酸化反応が起こり、銅イオンが、陰極で還元され、かつ堆積されるために溶液中に入り込むこととなる。

いずれの二次反応もない場合は、電気メッキの間に伝導性表面に供給される電流は、堆積される金属の量に直接的に比例する（ファラデーの電気分解の法則）。
この関係を用いて、安定化剤層18aを形成する堆積される材料の重量、したがって、厚さは、容易に制御することができる。

上記は、一般に、銅に言及しているが、アルミウム、銀、金、及びその他の熱的にかつ電気的に伝導性のある金属を含む、他の金属を利用してもよい。しかしながら、一般的に、超伝導性テープを形成するための全体の材料のコストを削減するために、非貴金属を利用するのが望ましい。

上記の説明と図１は、上記超伝導性テープの一面に沿って、安定化剤層１８ａを形成するために金属メッキを記述しているが、しかしながら、上記超伝導性テープの対向する、主面もコーティングされてもよく、実際、その構造の全体が密閉されるようにコーティングすることが可能である。これに関しては、図２に注意が向けられる。

図２は、本発明のもう１つの実施形態を説明する断面図であり、そこでは、超伝導性テープの全体は、第１の安定化剤層１８ａで密封されており、第２の安定化剤層１８ｂは、上記超伝導性テープの反対の主要面上に堆積されており、該第１、および第２の安定化剤層１８ａ，１８ｂは、該超伝導性テープの側面に沿って結合しており、一般に凸状である側面部、あるいはサイドブリッジ２０ａ及び２０ｂを形成している。この特定の構造は、極低温状態の欠損や、超伝導性の消滅などの場合に、さらに電流フローを改善し、さらにＨＴＳ層を保護するために、望ましい。第１，及び第２の安定化剤層１８ａ，１８ｂを形成することにより、堆積された安定化剤層の断面積を本質的に２倍にすることによって、電流運搬容量における著しい改善が得られる。安定化剤層１８ａ，１８ｂ間の電気的連続性は、水平ブリッジ部２０ａ，２０ｂによって提供されてもよい。この点で、上記水平ブリッジ部２０ａ，２０ｂは、一般的に凸状の表面を形成するよう、正の曲率半径を持つことが望ましく、これは、ＨＴＳ電力装置が経験するであろうで高電圧での電気的充電の蓄積をさらに減少させるであろう。加えて、適切な電気的に伝導性のある材料が基板１０に用いられる範囲において、さらなる電流運搬能力を、図２に示されるような密閉によって与えることができる。すなわち、水平に延び、上記テープの側面を定義するブリッジ部は、基板自身に対する電気的な接続を与え、これは、コーティングされた伝導体（テープ）の電流運搬容量を増加することができる。

図２には示されていないが、一般に、上記したように、ブリッジ部２０ａ，２０ｂの材料から超伝導体層１４ａを分離するために、超伝導性テープの全体に沿って、特に超伝導性テープの側面に沿って、貴金属層を堆積するのが望ましく、該貴金属層は、上記した、銅やアルミニウムのような非貴金属でよい。

図３は、本発明のさらにもう１つの実施形態を示す。本実施形態は、幾分図２に示されたものに似ているが、しかし、本質的には、それぞれが基板１０の第１，第２表面１１ａ，１１ｂの上に横たわる、第１，第２のバッファ層１２ａ，１２ｂを含む両面構造を形成している。さらに、第１，第２の超伝導体層１４ａ，１４ｂが、第１，第２のキャッピング層１６ａ，１６ｂとともに設けられている。この特定の構造は、超伝導体層１４ａ，１４ｂのコーティングするのに基板の両面を利用することにより、さらなる電流運搬容量の利点を与えるものである。

図４は、本発明の１つの実施形態による、電気メッキプロセスを図式化して示している。通常、電気メッキは、超伝導性テープを、該テープを供給リール３２から供給し、該テープを巻き取りリール３４で巻き取ることにより、電気メッキ溶液２７を通して供給することにより、リールツーリールプロセスにおいて実行される。該テープは、複数のローラー２６を介して供給される。該ローラーは、溶液内に設けられた金属イオンの電着のために、キャッピング層、及び／又は基板に沿って負電荷を放射させるよう、負に充電されていることができる。図４に示される実施形態は、両面堆積のために２つのアノード２８および３０を示しているが、これは、単一層電着のために、単一のアノード２８が設けられていてもよい。上記したように、電着液２７は、一般に、電着のために所望の種類の金属イオンを含んでいる。銅の特殊なケースにおいて、該溶液は、例えば、硫酸銅、および硫酸を含む硫酸銅溶液であってよい。アノード２８、３０は、電着のための、所望の供給ストック金属を与えるものであり、単純に高純度銅プレートから構成することができる。ローラー２６は、超伝導性テープをバイアスするよう、電気的にバイアスされることができ、このバイアス化は、望まない金属のローラーそれ自身への堆積を除去するよう溶液バスの外で、行うことができる。

特定の例は、上記した電着技術を利用して作られる。特に、サンプルは、銀のマグネトロンスパッタリングを受けて３ミクロン厚のキャッピング層を形成する。それらのサンプルは、硫化銅溶液内に置かれ、キャッピング層が陰極を形成し、陽極は銅プレートである、ようにバイアスされる。電着は、約４０ミクロンの基準厚さをもつ銅層を形成するように実行される。該サンプルのテストは、以下に記述される。

すなわち、１ｃｍ幅、４ｃｍ長さ、および１．７ミクロン厚で、約１１１アンペアの臨界電流Ｉｃを持つＹＢＣＯ ＨＴＳ層であるサンプルは、３２６アンペアの電流負荷をかけられた。該サンプルは過負荷状態とされたものであり、電圧データは、図５に示されるように、収集された。記録された電圧は、３２６Ａで４４．４ｍＶであったものであり、これは、３．６Ｗ／ｃｍ²の熱放散−−液体窒素冷却条件５−２０Ｗ／ｃｍ²での臨界熱流速密度より低い−−に相当する。これは、この５０ミクロンの安定化剤でコートされた伝導体が、バーンアウト（焼却）を経験することなく液体窒素において３２６Aより高い電流を運搬することを意味する。安定化剤なしでは、評価された電力消費は、３２６Aで、６２．５KW／cm2 より高い。上記は、電着された安定化剤が、ロブスト（robust）並列層として動作し、超伝導体膜が、過負荷とされたイベントの間に、超伝導膜がバーンアウトすることを、保護したことを、示す。

つづいて、上記サンプルは、そののち、上記過負荷イベントにつづいて、第２の負荷を受ける。図６に示されるように、複数のカーブは、過負荷の前、および後に、約１１１Aの同じ臨界電流Ic を示している。上記は、HTSテープが、過負荷の後でさえも、その臨界電流を維持したことを示している。

安定化剤層における充分な電流運搬能力を与えるために、代表的に安定化剤層は、約１から約１０００ミクロンの範囲内の、もっとも代表的には、例えば、約１０から約２００ミクロン等の、約１０から約４００ミクロンの範囲内の厚さをもつ。特定の実施形態は、約４０ミクロンおよび約５０ミクロンでの基準の厚さをもっていた。

超伝導テープの特定の構造から離れて、図７および図８は、超伝導テープの、商業上の電力要素、すなわち電力ケーブルにおける実施を図示する。図７は、プラスティックまたはスティール導管である地下導管４０を通して延びるいくつかの電力ケーブル４２を示している。図７はまた、明確化のためにグランド４１を示す。示されるように、いくつかの電力ケーブルが、導管４０を通して走っていてもよい。

図８に戻って、電力ケーブルの特定の構造が図示されている。超伝導電力ケーブルを超伝導状態に維持するための冷却を与えるために、液体窒素が液体窒素ダクト４４を通って電力ケーブルを通って供給される。一つあるいは複数のＨＴＳテープ４６が、ダクト４４を覆うように設けられている。上記テープは、該テープをダクト４４の周りをスパイラルさせて、ダクト４４上にヘリカル状に置かれている。さらなる要素は、銅シールド４８、要素を誘電分離するための誘電体テープ５０、第２のＨＴＳテープ５６、複数のセンタリングワイヤ５６を持つ銅シールド５４、第２の、より大きい液体窒素ダクト５８、極低温状態を維持するのを補助するために設けられた断熱材６０、スキッドワイヤを含む、構造支持のための波形に形成されたスチールパイプ６２、および外側容器６６とを含む。

図９は、一次巻線７２と二次巻線７４がその回りに設けられた中央コア７６をもつ電力変圧器を概略的に図示している。図９は、その性質として図式的なものであり、実際の変圧器の地理的な配置は、その技術において十分理解されているように変化し得る。しかしながら、該変圧器は、基本的な一次および二次巻線を含んでいる。この点に関し、図９に示される実施形態は、一次巻線が二次巻線７４よりより大きい数のコイルをもち、入力電力信号の電圧を低減させる降圧変圧器を表わしている。逆に、二次巻線に比し、一次巻線においてより少ない数のコイルを設けることは、電圧の昇圧を与える。この点に関し、代表的に昇圧変圧器は、電力送信サブステーションにおいて長距離に渡る電力ロスを低減するよう、電圧を高電圧に増大させるのに利用され、一方降圧変圧器は、後段での電力のエンドユーザへの配電のために、配電サブステーション内に集積される。一次および二次巻線のうちの少なくとも１つ、好ましくは両方は、以上の記述にしたがって超伝導性テープよりなる。

図１０に戻って、発電機の基本構造が与えられる。発電機は、ローター８６を回転可能に駆動するシャフト８４と連結されたタービン８２を含む。ローター８６は、発電のために望まれる電磁界を形成するローターコイルよりなる高強度の電磁石を含む。上記タービン８２、すなわち、シャフト８４とローター８６は、水力発電の場合は水、あるいは、核、ディーゼル、または石炭燃焼発電の場合は蒸気のような、流れる流体の動きによって回転される。電磁界の発生は、少なくとも１つの伝導性巻線よりなるステーター８８において電力を発生する。上記実施形態の特定の特徴によれば、ローターコイル、およびステーター巻線のうちの少なくとも１つが、上記した実施形態に従った超伝導性テープよりなる。代表的に、少なくともローターコイルは、ヒステリシス損失を低減するのに効果的である超伝導性テープを含む。

図１１に戻って、電力網の基本的な図式が与えられる。基本的に、電力網１１０は、通常複数の発電機を収容する電力プラント９０を含む。該電力プラント９０は、送電サブステーション９４と電気的に接続され、かつ、通常これとともに配置されている。送電サブステーションは、一般に、発電された電力の電圧を昇圧するのに利用される昇圧電力変圧器のバンクを収容している。代表的に、電力は、数千ボルトのオーダーの電圧レベルで発生され、かつ、送電ステーションは、線損失を低減するために、100,000から1,000,000ボルトのオーダーの電圧アークを昇圧するよう機能する。代表的な送電距離は、５０から１，０００マイルのオーダーであり、電力は、電力伝送ケーブル９６によりそれらの距離を運搬される。電力伝送ケーブル９６は、複数の電力サブステーション９８に至っている（図１０では、１つのみが示されている。）電力サブステーションは、一般に、送電レベル電圧を、比較的に高い値から代表的に１０，０００ボルトより小さい配電電圧に低減させる降圧電力変圧器のバンクを含んでいる。複数のさらなる電力ステーションは、グリッド状の態様で、エンドユーザへの局所的な配電を行うために局所的な領域に設けることができる。しかしながら簡単のために、単一の電力サブステーションのみが示されており、下流の電力サブステーションは直列に設けられることに注意されたい。配電レベル電力はそののち、電力配電ケーブル１００上を、商業的なエンドユーザばかりでなく居住するエンドユーザをも含むエンドユーザ１０２に送信される。また、個々の変圧器は、エンドユーザの個々人用に、あるいはエンドユーザのグループ用に、局所的に設けることができる。特定の特徴によれば、電力プラント９０に設けられた発電機、変圧器および送電サブステーション、電力伝送ケーブル、電力ステーションに設けられた変圧器、および電力配電ケーブルのうちの少なくとも１つは、本発明による超伝導性テープを含む。

本発明の特定の側面は、ここで特定的に記述されたが、技術における当業者は、まだ現在のクレームの範囲内において、これらに対し、修正を行うことができる。

本発明の１つの実施形態によるＨＴＳ導電性テープを示す図である。 超伝導テープ全体が電気メッキされた安定化剤によって密閉されている、本発明のもう１つの実施形態によるＨＴＳテープの断面を示す図である。 本発明のもう１つの実施形態による両面構造のＨＴＳ導電性テープの断面図である。 本発明の１つの実施形態による電気メッキプロセスを示す図である。 電流負荷試験の結果を示す図である。 ＨＴＳテープの臨界電流に及ぼされる過負荷の効果を評価するために行われたテストの結果を示す図である。 超伝導テープを組み込んでいる電力ケーブルを示す図である。 超伝導テープを組み込んでいる電力ケーブルを示す図である。 本発明の１つの側面による電力変圧器を示す図である。 本発明の１つの側面による発電機を示す図である。 本発明のもう１つの側面による電力網を示す図である。 異なる図面における同じ参照記号の使用は、類似のまたは同一の事項を示す。

Claims (40)

1. 超伝導物品であって、
   第１および第２の対向面をもつ基板、
   上記基板の第１の対向面の上に横たわるバッファ層、
   上記基板の第１の対向面上の上記バッファ層の上に横たわる超伝導体層、および
   上記超伝導体層上、および上記基板の第２の対向面上にそれぞれ横たわる第１および第２の電気メッキされた安定化剤層、
   ここで、該第１および第２の電気メッキされた安定化剤層は、上記基板、上記バッファ層および上記超伝導体層により構成される超伝導性テープの第１および第２の側面を定義するよう延び、かつ、該超伝導性テープを密封するものであり、上記第１および第２の電気メッキされた安定化剤層は、高電圧での電荷の蓄積を低減させるよう、前記超伝導物品の表面の少なくとも一部に沿って凸状の輪郭を形成するものである、
   よりなることを特徴とする、超伝導物品。
2. 上記電気メッキされた安定化剤層は、非貴金属よりなる、請求項１に記載の超伝導物品。
3. 上記非貴金属は、銅、アルミニウム、及びそれらの合金からなる群からの材料よりなる、請求項２に記載の超伝導物品。
4. 上記非貴金属は、銅からなる、請求項３に記載の超伝導物品。
5. 上記電気メッキされた安定化剤層は、非貴金属からなる、請求項１に記載の超伝導物品。
6. 上記バッファ層は、該膜の内面、及び外面の両方に一般的に整列された結晶をもつ二軸結晶織目加工膜からなる、請求項１に記載の超伝導物品。
7. 上記バッファ層は、バリア膜からなる、請求項１に記載の超伝導物品。
8. 上記電気メッキされた安定化剤層と上記超伝導体層との間に設けられた貴金属層をさらに含む、請求項１に記載の超伝導物品。
9. 上記貴金属層は、銀からなる、請求項８に記載の超伝導物品。
10. 上記超伝導体層は、７７°Ｋより小さくない臨界温度Ｔｅをもつ高温超電導体材料からなる、請求項１に記載の超伝導物品。
11. 上記超伝導体材料は、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-xからなり、ここで上記ＲＥは希土類元素である、請求項１に記載の超伝導物品。
12. 上記超伝導体材料は、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇からなる、請求項１１に記載の超伝導物品。
13. 上記電気メッキされた安定化剤層は、１〜１０００ミクロンの範囲内の厚みをもつ、請求項１に記載の超伝導物品。
14. 上記電気メッキされた安定化剤層は、１０〜２００ミクロンの範囲内の厚みをもつ、請求項１に記載の超伝導物品。
15. 上記物品は、超伝導テープの形状をしている、請求項１に記載の超伝導物品。
16. 上記基板は、１０³より小さくないアスペクト比をもつ、請求項１５に記載の超伝導物品。
17. 上記基板は、１０⁴より小さくないアスペクト比をもつ、請求項１５に記載の超伝導物品。
18. 超伝導物品であって、
    第１および第２の対向面をもつ基板、
    上記基板の第１および第２の対向面のそれぞれの上に横たわるバッファ層、
    上記基板の第１および第２の対向面のそれぞれ上に横たわるバッファ層上に横たわる第1および第２の超伝導体層、
    上記第1および第２の超伝導体層の上にそれぞれ横たわる第１および第２の電気メッキされた安定化剤層、
    ここで、該第１および第２の電気メッキされた安定化剤層は、上記基板、上記第1および第２のバッファ層、および上記第１および第２の超伝導体層により構成される超伝導性テープの第１および第２の側面を定義するよう延び、かつ、該超伝導性テープを密封するものであり、上記第１および第２の電気メッキされた安定化剤層は、高電圧での電荷の蓄積を低減させるよう、前記超伝導物品の表面の少なくとも一部に沿って凸状の輪郭を形成するものである、
    よりなることを特徴とする、超伝導物品。
19. 上記電気メッキされた安定化剤層は、ボンディング層を組み入れることなしに接着される、請求項１に記載の超伝導物品。
20. 上記電気メッキされた安定化剤層は、はんだ層を組み入れることなしに接着される、請求項１に記載の超伝導物品。
21. 上記物品は、電力ケーブルであり、
    該電力ケーブルは、複数の超伝導性テープを含み、
    該各テープは、上記基板と、上記バッファ層と、上記超伝導体層と、上記電気メッキされた安定化剤層よりなる、請求項１に記載の超伝導物品。
22. 冷却流体の通過帯域のための導管をさらに含む、請求項２１に記載の超伝導物品。
23. 上記超伝導性テープは、上記導管の周りに巻きつけられている、請求項２２に記載の超伝導物品。
24. 上記電力ケーブルは、電力伝送ケーブルを構成する、請求項２１に記載の超伝導物品。
25. 上記電力ケーブルは、電力配電ケーブルを構成する、請求項２１に記載の超伝導物品。
26. 上記物品は、電力変圧器であり、
    該電圧変圧器は、一次巻線と、二次巻線と、からなり、
    上記一次巻線と二次巻線の少なくとも一つは、超伝導性テープの巻回されたコイルからなり、
    上記超伝導性テープは、上記基板と、上記バッファ層と、上記超伝導体層と、上記電気メッキされた安定化剤層よりなる、請求項１に記載の超伝導物品。
27. 上記二次巻線は、電圧を下げるために、上記一次巻線より少ない数の巻線を有する、請求項２６に記載の超伝導物品。
28. 上記一次巻線は、電圧を上げるために、上記二次巻線より少ない数の巻線を有する、請求項２６に記載の超伝導物品。
29. 上記物品は、発電機であって、
    ローターコイルよりなる電磁石を含むローターと連結されたシャフトと、
    上記ローターを取り囲む伝導性巻線よりなるステーターと、からなり、
    上記伝導性巻線と、ローターコイルの少なくとも一つは、上記基板と、上記バッファ層と、上記超伝導体層と、上記電気メッキされた安定化剤層とからなる超伝導性テープからなる、請求項１に記載の超伝導物品。
30. 上記物品は、送電網であって、
    該送電網は、発電機を含む発電ステーションと、
    上記発電所からの電力を受け、送電のために電圧をあげる複数の電力変圧器を含む送電サブステーションと、
    上記送電サブステーションからの電力を伝送するための複数の電力伝送ケーブルと、
    上記電力伝送ケーブルからの電力を受け、配電のために電圧を下げる複数の変圧器を含む配電ステーションと、
    エンドユーザーに配電するための複数の電力配電ケーブルと、からなり、
    上記電力配電ケーブル、電力伝送ケーブル、上記配電ステーションの変圧器、上記送電サブステーションの変圧器、及び発電機の少なくとも１つが、複数の超伝導性テープを含み、該各超伝導性テープは、上記基板と、上記バッファ層と、上記超伝導体層と、上記電気メッキされた安定化剤層とからなる、請求項１に記載の超伝導物品。
31. 第１および第２の対向面をもつ基板を準備するステップ、
    上記基板の第１の対向面上に横たわるバッファ層を堆積させるステップ、
    上記バッファ層の上に横たわる超伝導体層を堆積させるステップ、および、
    上記超伝導体層および上記基板の第２の対向面の上にそれぞれ横たわる第１および第２の安定化剤層をそれぞれ電気メッキするステップ、
    ここで、上記第１および第２の電気メッキされた安定化剤層は、上記基板、上記バッファ層および上記超伝導体層により構成される超伝導性テープの第１および第２の側面を定義するよう延び、かつ、該超伝導性テープを密封するものであり、上記第１および第２の電気メッキされた安定化剤層は、高電圧での電荷の蓄積を低減させるよう、前記超伝導物品の表面の少なくとも一部に沿って凸状の輪郭を形成するものである、
    を含むことを特徴とする、超伝導テープの形成方法。
32. 上記電気メッキは、上記超伝導テープを電気メッキ溶液内を通過させることによって行なわれ、ここで、上記テープは、陰極を形成するようバイアスされ、陽極は上記溶液中に設けられている、請求項３１に記載の方法。
33. 上記安定化剤層は、非貴金属からなる、請求項３２に記載の方法。
34. 上記非貴金属は、銅からなる、請求項３３に記載の方法。
35. 上記溶液は、硫酸銅からなる、請求項３４に記載の方法。
36. 上記超伝導テープは、リールツーリールプロセスによって、上記溶液を通過される、請求項３２に記載の方法。
37. 電気メッキは、上記安定化剤層が上記基板の一面の上に横たわるように実行される、請求項３１に記載の方法。
38. 電気メッキは、上記安定化剤層が上記基板の第１および第２の対向する側面の上に横たわるように実行される、請求項３１に記載の方法。
39. 電気メッキは、上記安定化剤層が上記基板、バッファ層、及び上記超伝導体層を密閉するように実行される、請求項３１に記載の方法。
40. 各テープが、第１および第２の対向面をもつ基板と、該基板の上記第１の対向面の上に横たわるバッファ層と、上記基板の第１の対向面上の上記バッファ層の上に横たわる超伝導体層と、該超伝導体層および上記基板の第２の対向面の上にそれぞれ横たわる第１および第２の電気メッキされた安定化剤層とよりなる、
    ここで、上記第１および第２の電気メッキされた安定化剤層は、上記基板、上記バッファ層および上記超伝導体層により構成される超伝導性テープの第１および第２の側面を定義するよう延び、かつ、該超伝導性テープを密封するものであり、上記第１および第２の電気メッキされた安定化剤層は、高電圧での電荷の蓄積を低減させるよう、前記超伝導物品の表面の少なくとも一部に沿って凸状の輪郭を形成するものである、
    複数の超伝導性テープからなる電力ケーブルのコイルを準備することと、
    上記電力ケーブルを、地下の利用導管である導管に挿入する間、上記コイルを巻き戻す、こと、
    を含むことを特徴とする電力ケーブルを敷設する方法。

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