JP5154953B2 - 低密度特徴を持つ超伝導性物品 - Google Patents

Description

本発明は、一般に超伝導性物品に向けられている。本発明は、特に、コートされた導体の形の超伝導性物品、およびこれを組み込んだデバイスに関係する。

超伝導体材料は、長い間、技術的コミュニティによって知られてきて、かつ、理解されてきた。液体ヘリウム(4.2Ｋ)の使用を必要とする温度で、超伝導特性を示す低温（低T_c）超伝導体は、１９１１年以来、知られてきた。しかしながら、酸素ベースの高温（高T_c）超伝導体が発見されたのは、いくぶん最近になってからである。１９８６年ごろ、液体窒素の温度（77Ｋ）以上の温度で超伝導特性をもつ、最初の高温超伝導体(HTS)、すなわち、YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO)が、発見され、それにつづいて、過去１５年間の間に、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+y（BSCCO）、およびその他のものを含む、更なる材料の開発があった。高T_c超伝導体の開発は、このような材料を組み込む超伝導性構成要素の可能性のある、経済的に実現可能な開発を、部分的にはこのような超伝導体を液体ヘリウムに基づく比較的により高価な極低温インフラ構造よりむしろ、液体窒素でもって動作させるコストにより、もたらした。

可能性のある無数のアプリケーションの中で、産業は、発電、送電、配電、および電力蓄積という応用を含む、電力産業においてのこのような材料の使用の開発を求めてきた。この点に関し、銅ベースの商用電力要素は、電気においてきわめて大きな損失を生じるものであり、したがって、電力産業は、送電及び配電電力ケーブル、発電機、変圧器、および無効電流遮断器、等の電力素子における高温超伝導体の利用に基づき、実質的な効率を得ることができる。 さらに、電力産業における高温超伝導体の他の利点は、電力処理能力の大きさの１桁から２桁の増大、電力設備の大きさ（すなわち、外形）の実質的な減少、環境上の影響の減少、より大きな安全性、および従来の技術に対する増大した容量、である。高温超伝導体のこのような可能性のある利点は、きわめて競争力のあるものであり、数多くの技術的挑戦が、高温超伝導体の製造および商業化において大きなスケールで、存在しつづけている。

高温超伝導体の商業化に関連した挑戦の中で、多くは、多くの電力要素の形成に利用することのできる超伝導体テープの製造の周りに存在する。第１世代の超伝導体テープは、前記したBSCCO 高温超伝導体の使用を含んでいる。この材料は、一般に、代表的に銀の、貴金属のマトリクス内に埋め込まれている、ディスクリートなフィラメントの形で、与えられる。このような導体は、電力産業において実施するのに必要な延長された長さで（すなわち、キロメーターのオーダーで）、作製されることもできるが、このようなテープは、商業的に利用可能な製品を、提供することはできない。

したがって、非常に大きな興味は、優秀な商業的実現可能性をもつ、いわゆる第２世代HTSテープにおいて生み出されてきた。これらのテープは、代表的に層構造に依存しており、一般に、機械的な強度を与えるフレキシブル基板、該基板の上に横たわる、任意に複数の膜を含む、少なくとも１つのバッファ層、該バッファ層の上に横たわるHTS層、および、該超伝導層の上に横たわる、代表的に少なくとも１つの貴金属層より形成される、電気的な安定化層、を含む。しかしながら、今日までにも、このような第２世代テープの完全な商業化の前には、数多くの、技術的な、かつ、製造上の挑戦が、まだ残っている。

したがって、以上に鑑み、超伝導体の技術において、および特に、商業的に実現可能な超伝導体テープ、これを形成する方法、およびこのような超伝導体テープを用いた電力素子、を設けるにおいて、種々の必要が、存在し続ける。
特開平０７−０７３７５８号公報 特開平０１−２００５１８号公報 米国特許５，８７２，０８０号明細書

開示された超伝導性物品の最初の側面によれば、チタンよりなる基板が提供される。 バッファ層は、該基板の上に横たわり、超伝導性層が、該バッファ層の上に横たわる。

もう１つの側面は、基板、該基板の上に横たわるバッファ層、該バッファ層の上に横たわる超伝導性層、および、該超伝導性層の上に横たわる安定化層よりなる超伝導性物品を提供する。該安定化層は、アルミニウムよりなる。

もう１つの側面は、１０より小さくない寸法比をもつ基板、および該基板の上に横たわる超伝導性層を含む超伝導性物品を提供する、該超伝導性物品は、約7.00g/ccより大きくない密度を持つ。

もう１つの側面は、約8.00g/ccより大きくない密度を持つ基板、該基板上に横たわるバッファ層、該バッファ層上に横たわる超伝導性層を含む超伝導性物品を提供する。 一般に、該物品は、約１０より小さくない寸法比を持つ。

デバイスのもう１つの実施形態は、基板、該基板の上に横たわるバッファ層、該基板の上に横たわる超伝導性層、約8.00g/ccより大きくない密度を持つ、超伝導性層上に横たわる安定化層を供給する。

（実施の形態１）
図１は、１つの実施形態による超伝導性物品１００の層構造を図示する。 該超伝導性物品は、基板１０、バッファ層１２、および超伝導性層１４を含む。キャップ層１６は、超伝導性層の上に横たわって設けられており、該キャップ層１６の上に横たわる安定化層１８がそれに続いている。

基板は、リールツーリールプロセスの機械的ストレスおよびストレインに耐えることのできる材料よりなり、かつ、種々の応用において、最終の超伝導性物品の機械的統合性をも与えることができる。さらに、該基板は、有利にも、該超伝導性物品の製造の間の、高い処理温度、および、攻撃的な処理環境（例えば、高い酸化性）に耐えることができる。前述に鑑み、基板１０は、一般に金属ベースのものであり、かつ代表的に、少なくとも２つの金属元素の合金である。適当な基板材料は、合金の公知のInconel（登録商標） グループのようなニッケルベースの金属合金を含む。利用可能な材料のなかで、合金の Inconel （登録商標） グループのようなニッケルベースの金属合金が、膨張係数、引っ張り強度、降伏強さ、および、伸張、を含む、望ましい、クリープ、化学的、かつ機械的特性、を持つ傾向がある。しかしながら、１つの特定の実施形態において、基板１０は、比較的より低い重量密度材料よりなる。この点において、基板１０は、およそ7.00g/cc、あるいは 6.00g/ccより大きくないような、およそ8.00g/ccより大きくない重量密度を持ち得る。いくつかの場合には、基板の重量密度は、およそ5.00g/ccより大きくない。

低い重量密度材料基板という文脈で、チタン金属、またはチタン金属合金が、使用される。役に立つ合金金属元素は、アルミニウム、バナジウム、鉄、錫、ルテニウム、パラジウム、ジルコニウム、モリブデン、ニッケル、ニオブ、クロム、およびシリコン、およびそれらの組み合わせを含む。 これらの中で、特に有用な合金要素は、アルミニウムおよびバナジウムを含む。１つの実施形態において、アルミニウムおよびバナジウムは、それぞれ、6％、および4％より大きくないように、それぞれ10％、および8％より大きくない量で、存在している。１つの特定のスピーシーズは、重量で３％アルミニウム、および2.5％バナジウムを含み、バランスがチタンである、等級（グレード）9のチタン合金である。合金の要素の特定の選択は、耐酸化性特性を含む、種々のファクターに依存する。

チタン合金の特定の文脈において、基板１０の合金金属元素の全重量パーセントは、しばしば、重量で10％より大きくなく、一般に、およそ20％より大きくなく、該チタンのパーセンテージは、重さでおよそ80％より小さくなく、かつ、他の実施形態においては、重量でおよそ85％あるいは90％より小さくない。チタンおよびチタン合金は、望ましくは、たとえば、およそ4.0から5.0g/cc内のような、およそ5.0g/ccより大きくない重量密度を持つ基板を、与える。

さらに、ここでの実施形態によれば、基板１０は、超伝導性層における渦巻き電流損失の低減を可能にするよう、抵抗性であってもよい。このような渦巻き電流損失の低減は、該物品が、発電機あるいはモーター（さらに以下に記述される）のような、回転機械の形態をとるとき、特に有益である。抵抗性基板の使用は、回転機械のかたちにおいて使用されるとき、ＡＣ損失を最小にする。基板の代表的な比抵抗は、約100マイクロオームセンチより大きい、のように、約50マイクロオームセンチより、一般に、より大きい。

さらに、基板の厚さは、まだ該分野におけるリールツーリール処理、取り扱い、および統合性に耐える充分さを与えながら、実施形態によってさらに低減されることができる。代表的に、該基板１０は、およそ50ミクロンより大きくない、あるいはさらに、40ミクロンより大きくない厚さを持つ。さらに、他の実施形態においては、該基板１０の厚さは、およそ30ミクロンより大きくない、あるいはさらに、およそ20ミクロン、またはそれ以下と同等の薄い、厚みをもつ。

基板１０は、一般に、高い寸法比を持つテープである。 ここに使われるように、用語「寸法比」は、基板１０またはテープの長さの、次の長い寸法に対する比を示すのに用いられる。例えば、基板の幅は、おおよそ、0.4‐10センチの範囲にわたり、基板１０の長さは、代表的に100ｍより大きく、しばしば、約500ｍより、より大きい。実際、１つの実施形態は、1ｋｍまたはそれ以上のオーダーの長さをもつ超伝導性基板を与え、これは、多数のテープセグメントからなるものである。したがって、該基板は、10より小さくないオーダーの、10²より小さくないオーダーの、あるいは、10³より小さくないオーダーの、かなり高い寸法比をもつ。ある特定の実施形態は、10⁴ 及びそれより高い、寸法比を持つ、より長いものである。

１つの実施形態において、基板１０は、超伝導性物品の構成層の順次の堆積のための望ましい表面特性を持つように扱われる。 例えば、該表面は、望ましい平坦さと、表面粗さに軽く磨き上げられる。 さらに、該基板１０は、公知の、RABiTS（roll assisted biaxially textured substrate）によるように、技術において理解されているように、２軸テキスチャされたように、取り扱われてもよい、ただし、一般にここでの実施形態は、特に、金属合金多結晶基板を含み、テキスチャされていない基板の利点を用いている。

図１に戻り、図示された実施形態は、バッファ層１２を与える。該バッファ層は、単一層であってもよく、より共通には、いくつかの膜よりできあがっていてもよい。最も典型的には、該バッファ層１２は、該膜の平面内、および平面外の両方で、結晶軸に沿って一般に配列されている結晶組織をもつ、２軸テキスチャード膜を含む。該バッファ層１２の２軸テキスチャリングは、IBADにより遂行することができる。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（ion beam assisted deposition）の略であり、超伝導特性のために好ましい結晶学的方位をもつ超伝導層を順次形成するのに適してテキスチャされた層を形成するよう、有利に利用される技術である。マグネシウム酸化物は、IBAD膜のために選択される代表的な材料であり、50から200オングストロームのように、50から500オングストロームのオーダー上にあるものである。一般に、IBAD膜は、米国特許６,１９０,７５２で定義され、記述されているように、 岩塩のような結晶構造を持ち、該米国特許は、参照によりここに、組み入れられる。

該バッファ層１２は、IBAD膜と、基板１０との間に設けられたバリア層のようなさらなる膜を、含むことができる。この点に関し、該バリア膜１２は、有利には、イットリアのような酸化物から形成されることができ、該基板を、IBAD膜から隔離するよう機能する。バリア膜１２は、また、シリコン窒化物のような非酸化物より形成されてもよい。バリア膜の堆積のための適切な技術は、化学気相成長およびスパッタリングを含む物理気相成長を含む。バリア膜の代表的な厚さは、およそ100‐200オングストロームの範囲内にあるであろう。またさらに、該バッファ層は、また、IBAD膜上にエピタキシャル成長された膜をも含むかもしれない。この文脈において、該エピタキシャル成長された膜は、IBAD膜の厚さを増大するのに有効であり、かつ、望ましくは、MgO のようなIBAD 層のために利用されたのと同じ材料から、主になっていてもよい。

MgO ベースの IBAD膜、および／またはエピタキシャル膜を利用する実施形態においては、MgO 材料と、超伝導性層の材料との間の格子不整合が、存在し得る。したがって、該バッファ層１２は、さらに、もう１つのバッファ層を含んでいてもよく、このバッファ層は、特に、超伝導性層と、その下にあるIBAD膜、および／またはエピタキシャル膜との間の格子定数の不整合を、低減するために実施される。このバッファ膜は、YSZ （イットリア安定化ジルコニア）、ストロンチウムルテネート、ランタンマンガネート、等の材料より形成されていてもよく、および一般には、 ペロブスカイト構造のセラミック材料より形成されていてもよい。該バッファ膜は、種々の物理的気相成長技術により堆積することができ、かつ、一般には、その上にそれが形成されている下に横たわる層の、２軸テキスチャを保持している。

超伝導性層１４は、代表的に、高温超伝導体（HTS）層の形に形成されている。HTS材料は、代表的に、液体窒素の温度、77Ｋ以上で、超伝導特性を示す高温超伝導材料のいずれかから、選択される。このような材料は、例えば、 YBa₂Cu₃O_7-x、 Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+y、および HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+yを含む。該材料の１つのクラスは、 REBa₂Cu₃O_7-xを含む、ここで、ＲＥは希土類元素である。以上のものの中で、 YBa₂Cu₃O_7-xは、これはまた、一般に、YBCOともいわれるが、有利に利用されることができる。該超伝導性層１４は、厚膜、および薄膜形成技術を含む、種々の技術のうちの任意の１つにより、形成することができる。好ましくは、パルス励起レーザ堆積（PLD）のような、薄膜物理気相成長技術が、高堆積レートのために用いることができ、あるいは、化学気相成長技術が、より低いコスト、およびより大きい表面領域処理のために、用いることができる。代表的に、超伝導層は、該超伝導層１４と関連した好ましい定格電流を得るために、およそ1からおよそ30ミクロンのオーダーの厚みを持ち、最も典型的には、およそ2からおよそ10ミクロンのような、およそ2からおよそ20ミクロンの厚みをもつ。

安定化層１８、および、キャップ層１６（任意）は、一般に、実際の使用における超伝導体の焼失を妨げることを助けるための、電気的安定化のための低抵抗インタフェースを提供するために実行される。より特定的には、安定化層１８は、冷却が失敗したとき、あるいは、臨界電流密度を超えたとき、超伝導体が超伝導性でなくなった場合において、超伝導体に沿っての電流の継続的な流れを助ける。キャップ層１６は、超伝導性層１４と、安定化層１８との間の望ましくない相互作用が、該キャップ層がなければ起こるであろうそれらの実施形態において、特に該構造内に組み入れられている。このような場合、キャップ層は、金、銀、プラチナ、およびパラジウムのような、貴金属により形成されている。銀は、その費用と、一般的入手可能性により、代表的に使用される。キャップ層１６は、代表的に、安定化層１８から超伝導性の層１４への望まれない要素の拡散を妨げるよう十分厚く形成されるが、しかし一般に、コストの理由（原材料、および処理費用）のために、薄く形成される。キャップ層１６の代表的な厚さは、0.5からおよそ5.0ミクロンのような、およそ0.1から、およそ10.0ミクロンの範囲にわたる。ＤＣマグネトロンスパッタリング等の、物理気相成長を含む、種々の技術が、キャップ層１６の堆積のために使用される。

安定化層１８は、一般に、超伝導性層１４の上に横たわるよう、特に、図１に示される特定の実施形態では、キャップ層１６の上に横たわり、かつ、直接接触するように、組み入れられる、ただし、変形例によれば、キャップ層を削除すると、超伝導性層１４に直接接触することとなる。該安定化層１８は、厳しい環境条件および超伝導性クエンチに対する安定性を、向上するために、保護／並列層として作用する。該層は、一般に、熱的、および電気的に伝導性があり、超伝導性層の失敗の場合に、電流をバイパスするよう機能する。それは、超伝導性テープ上に、あらかじめ形成された銅ストリップを、半田、またはフラックス等の中間的な接合材料を用いて積層することによる、等の、種々の厚膜、および薄膜形成技術の任意の１つにより、形成することができる。他の技術は、物理気相成長、代表的には、蒸着、またはスパッタリング、ばかりでなく、エレクトロレスプレーティング、および、エレクトロプレーティング、等の、湿式化学処理に、焦点があてられてきた。

代表的に、銅等の金属が、安定化層１８に使用される。しかしながら、他の実施形態によれば、該安定化層は、およそ 8.00g/cc、 およそ7.00g/cc、あるいはさらに、およそ6.00g/ccより低い材料等の、より低い密度材料を利用している。実際、いくつかの実施形態は、およそ 4.00g/ccより大きくない密度、あるいは3.00g/ccより大きくない密度を持つ安定化層を持つ。特定の実施形態によれば、アルミニウムのような比較的低密度の伝導性金属が、安定化層１８の主要な構成要素（重量で、50％より大きい）を形成する。例えば、該安定化層１８は、アルミニウム、あるいはアルミニウムが重量で、少なくともおよそ80％存在しているアルミニウム合金よりなる。アルミニウムの使用は、単に安定化層１８の密度を減らすだけでなく、顕著に、超伝導性物品１００の全体の密度を、低減する。アルミニウムベース材料の使用は、およそ2.00から3.00g/cc内のような、およそ3.00g/ccより大きくない、低い重量密度を、好ましくはもつ、安定化層を与える。

代表的に、安定化層の厚さは、およそ50ミクロンより小さくなく、しばしば、およそ100ミクロンより小さくない。気づくべきことは、アルミニウムベースの安定化材は、同じ電流運搬能力を有する、銅ベースの安定化材より、アルミニウムは銅よりより高い比抵抗を持っているので、比較的に、より厚いであろう。アルミニウムベースの安定化材と関連した厚さの相対的増大にかかわらず、超伝導体物品の重量は、重量密度の意味のある減少により、さらに減少されるであろう。

特定の層を構成する材料の密度は、上記で記述されたが、全体の超伝導性物品の全体の密度は、ここでの実施形態により、望ましく、低減される。密度のより低い、超伝導性物品は、意義のある力点を、たとえば、超伝導性テープのコイルに置く、発電機、等の回転機械において、有利であろう。したがって、いくつかの実施形態においては、超伝導性物品の全体密度は、7.00g/ccより小さいであろう。あるいは、他の実施形態は、6.50g/cc、 6.00g/cc、あるいはさらに、5.00g/ccより小さい全体密度を使用する。より低い全体密度は、構成する層、特に以前に詳細に述べたように、基板、および安定化層のおのおのの密度を減らすことにより、達成される。

超伝導体物品の一般化された構造は、図１に関連して以上で記述されたが、さらなる実施形態は、図２および図３において図示されており、これらは、高い寸法比をもつ、超伝導性テープ、あるいは超伝導性物品への代表的な応用を示す。特定の構造体を越えて、かつ、図１に関連して上記した超伝導性物品、あるいはテープに関連して、実施形態は、このような導体を組み込む産業の、あるいは商業上の電力要素等の、要素にも向けられている。あるクラスのこのような要素は、高寸法比の超伝導性導体のコイルまたは巻線を、組み込んでおり、かつ、特に、意義のあるものである。コイル状の、または、巻きつけられた構造体の文脈内で、ある実施形態は、広くは、電力発電機、およびモーターを含む、“回転機械”として知られている、あるクラスの電力要素に向けられている。低密度の基板、低密度の安定化剤、および／または低全体密度を持つ、ここでの実施形態は、このような回転機械において、特別の使用を見いだす。

例えば、図２は、それの周りに１次巻線７２、および２次巻線７４が設けられる中央コア７６をもつ、電力変圧器を図示している。図２が、その性質的な模式図であり、該変圧器の実際の幾何学的形状は、該技術でよく理解されているように、変化し得るものである。しかしながら、該変圧器は、少なくとも、基本的な１次巻線、および２次巻線を、含む。この点に関して、図２に示された実施形態では、１次巻線は、２次巻線より多くの数のコイルをもっており、入力する電力信号の電圧を下げる、ステップダウン変圧器を、表している。逆に、１次巻線に、２次巻線より少ない数のコイルを与えると、電圧の上昇を与える。この点に関して、代表的に、電圧上昇変圧器は、長い距離にわたる電力損失を、低減するために、電圧を高電圧に増大するよう、送電サブステーションにおいて利用され、他方、電圧下降変圧器は、電力の後段ステージでの配電のために、配電サブステーションにおいて集積される。１次巻線と、２次巻線の少なくとも１つ、および好ましくは両方は、以下の記述のとおりに、超伝導性テープよりなる。

図３に向いて、発電機の模式的図解が、与えられる。該発電機は、技術において知られているように、タービンにより駆動されるローター８６を含む。ローター８６は、高強度の電磁石を含み、これらは、電力の発生のための所要の電磁界を形成するローターコイル８７よりなる。該電磁界の発生は、ステーター８８において電力を生じ、これは、すくなくとも１つの、導電性のステーター巻線８９よりなる。特定の特徴によれば、ローターコイル８７および／またはステーター巻線８９は、上記した実施形態による超伝導物品よりなる。

上記した種々の実施形態によれば、望ましい重量密度特徴を持つ超伝導体物品が提供される。このような超伝導体物品は、すくなくとも部分的に、該物品の減少した重量密度により、回転機械のように、高度にダイナミックな環境で使用されるとき、特に、改善された機械的な統合性と構造安定性を与えるものである。

本発明の特定の側面が、ここで特に記述されたが、当業者は、以下のクレームの範囲を何ら限定することなく、まだ現クレームの範囲内において、これらに対し修正をなすことができるであろう。以前に記述された実施形態、および実施例は、以下のクレームの範囲を何ら限定するものではない。

図１は、１つの実施形態の超伝導性物品の層の斜視図である。 図２は、変圧器の模式的図である。 図３は、発電機の模式的図である。

Claims (13)

1. 超伝導性物品であって、以下のものよりなる：
   10より小さくない基板の長さの基板の幅に対する寸法比、および100マイクロオームセンチより小さくない抵抗率を持つ、主要な構成要素としてチタンを持つチタン合金基板、ここで、該基板は、50ミクロンより大きくない厚さを持つ；
   バッファ層、該バッファ層は、少なくとも１つの２軸整列された結晶よりなる膜よりなり、該２軸整列された結晶の第１の軸は該膜の面内にあり、該２軸整列された結晶の第２の軸は該膜の面外にある；
   前記バッファ層上に横たわる超伝導性層、ここで、前記超伝導性物品は、7.00g/ccより大きくない密度を持つ。
2. 請求項１に記載の超伝導性物品において、前記チタン合金は、その添加元素が、アルミニウム、バナジウム、鉄、錫、 ルテニウム、パラジウム、ジルコニウム、モリブデン、ニッケル、ニオブ、クロム、およびシリコンから選択された要素、またはそれらの組み合わせよりなる。
3. 請求項１に記載の超伝導性物品において、前記超伝導性物品は、6.50g/cc以下の密度を持つ。
4. 請求項１に記載の超伝導性物品は、さらに前記超伝導性層上に横たわる安定化層よりなり、ここで、前記安定化層はアルミニウムよりなる。
5. 請求項４に記載の超伝導性物品において、前記安定化層は、50ミクロンより小さくない厚さを持つ。
6. 請求項１に記載の超伝導性物品において、前記超伝導性層は、77°Ｋより低くない臨界温度T_cをもつ高温超伝導体材料よりなる。
7. 請求項１に記載の超伝導性物品において、前記超伝導性物品は、超伝導性のテープのコイルであり、該超伝導性テープのコイルは、前記基板と、前記超伝導性層とよりなる。
8. 請求項１に記載の超伝導性物品において、該物品は電力変圧器であり、該電力変圧器は、少なくとも１次巻線と、２次巻線とよりなり、ここで、前記１次巻線と、２次巻線とのいずれかは、前記超伝導性テープの巻きコイルよりなり、該超伝導性テープは、前記基板と、前記超伝導性層とよりなる。
9. 請求項１に記載の超伝導性物品において、前記物品は、回転機械であり、該回転機械は、少なくとも１つの巻線よりなり、該少なくとも１つの巻線は、前記基板と、前記超伝導性層よりなる超伝導性テープよりなる。
10. 請求項１に記載の超伝導性物品において、前記少なくとも１つの膜は、岩塩状結晶構造を持つIBAD膜よりなる。
11. 請求項１０に記載の超伝導性物品において、前記IBAD膜は、IBAD MgOよりなる。
12. 請求項１に記載の超伝導性物品において、前記超伝導体材料はREBa₂Cu₃O_7-xよりなり、ここで、REは希土類要素である。
13. 請求項１に記載の超伝導性物品において、前記物品は、100より小さくない寸法比を持つ。

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