JP7228680B2 - Ｈｔｓテープを含むケーブル及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高温超伝導体（ＨＴＳ）に関する。特に、本発明は、ＨＴＳテープを含むケーブルに関する。
超電導材料は一般に、「高温超電導体」（ＨＴＳ）と「低温超電導体」（ＬＴＳ）とに分けられる。ＮｂやＮｂＴｉなどのＬＴＳ材料は、その超伝導性をＢＣＳ理論で説明できる金属又は金属合金である。すべての低温超伝導体は、約３０Ｋ未満の臨界温度（それを超えるとゼロ磁場でも材料が超伝導にならない温度）を有する。ＨＴＳ材料の挙動はＢＣＳ理論では説明されておらず、このような材料は約３０Ｋを超える臨界温度を有する可能性がある（ただし、ＨＴＳ材料を定義するのは、臨界温度ではなく、超伝導動作及び組成の物理的な違いであることに注意すべきである）。最も一般的に使用されるＨＴＳは「銅酸化物超伝導体」、ＢＳＣＣＯ又はＲｅＢＣＯ（ここで、Ｒｅは希土類元素、一般にＹ又はＧｄである）などの銅酸化物（酸化銅基を含む化合物）をベースとするセラミックである。他のＨＴＳ材料は、鉄プニクチド（例えば、ＦｅＡｓ及びＦｅＳｅ）及び二ホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ２）を含む。
ＲｅＢＣＯは一般に、図１に示す構造を有するテープとして製造される。このようなテープ５００は、一般に約１００ミクロンの厚さであり、基板５０１（典型的には約５０ミクロンの厚さの電解研磨したハステロイ）を含み、基板５０１の上に、ＩＢＡＤ、マグネトロンスパッタリング、又は他の好適な技術によって、約０．２ミクロンの厚さのバッファスタック５０２として知られる一連のバッファ層が堆積される。エピタキシャルＲｅＢＣＯ－ＨＴＳ層５０３（ＭＯＣＶＤ又は他の好適な技術によって堆積される）がバッファスタックにオーバーレイ１５し、典型的には１ミクロンの厚さである。１～２ミクロンの銀層５０４がスパッタリング又は他の好適な技術によってＨＴＳ層上に堆積され、銅安定化層５０５が電気めっき又は他の好適な技術によってテープ上に堆積され、これは多くの場合テープを完全に封入する。
基板５０１は、製造ラインを通して供給されかつ後続の層の成長を可能にすることができる機械的なバックボーンを提供する。バッファスタック５０２は、その上にＨＴＳ層を成長させるための二軸配向結晶テンプレートを提供するために必要とされ、その超伝導特性を損なう基板からＨＴＳへの元素の化学拡散を防止する。銀層５０４は、ＲｅＢＣＯから安定化層への低抵抗界面を提供するために必要とされ、安定化層５０５は、ＲｅＢＣＯのいずれかの部分が超伝導を停止する（「常伝導」状態になる）場合に代替的な電流経路を提供する。
図２は、本文書で使用されるｘ、ｙ、ｚ座標系を示すＲｅＢＣＯテープ２００を示す。ｙ軸はテープの長さに沿っており（すなわち、テープが使用されているときの電流の方向にあり）、ｘ軸はテープの幅に沿っており（すなわち、テープの面内でｙ軸に垂直であり）、ｚ軸はｘ軸とｙ軸に垂直である（すなわち、テープの面に垂直である）。
図３は、ｘ／ｚ平面における例示的なＲｅＢＣＯテープの断面を示す。ＲｅＢＣＯ層自体は結晶性であり、ＲｅＢＣＯ結晶の主軸がテープの１点に関して示されている。ＲｅＢＣＯテープは、ＨＴＳ層３０１と、銅クラッド３０２と、基板３０３とを有する簡略化された形態で示されている。ＲｅＢＣＯの結晶構造は、当技術分野ではａ、ｂ及びｃと呼ばれる、相互に垂直な３つの主軸を有する。本開示の目的のために、臨界電流のａｂ平面内の磁場成分の配向への依存性を無視して、ａ軸とｂ軸を交換可能とみなすことができるため、ａ軸とｂ軸はａ／ｂ平面（すなわち、ａ軸とｂ軸によって画定される平面）としてのみ考えられる。図３では、ＲｅＢＣＯ層３０１のａ／ｂ平面は、ｃ軸３２０に垂直な単一の線３１０として示されている。
テープの臨界電流は、ＲｅＢＣＯ結晶の厚さと品質に依存する。テープの臨界電流はまた、周囲温度と印加磁場の大きさにもほぼ逆依存性を有する。最後に、ＲｅＢＣＯのＨＴＳ層は、異方性臨界電流の挙動を示し、すなわち、臨界電流は、ｃ軸に対する印加磁場の配向によって決まる。印加磁場ベクトルがａ／ｂ平面３１０内にあるとき、臨界電流は、印加磁場ベクトルがｃ軸３２０に沿って整列しているときよりもかなり高い。臨界電流は、図６Ａに実線の曲線で示すように、「ａ／ｂ面外」の磁場配向においてこれらの２つの極値の間で滑らかに変化する。（実際には、臨界電流がピークを示す複数の角度が存在する場合がある。また、ピークの振幅及び幅は、印加磁場及び温度の両方によって変化するが、この説明のためには、最大の臨界電流を与える印加磁場Ｂの最適な配向を定める単一の支配的なピークを有するテープを考えることができる。）
ＲｅＢＣＯテープは通常、ｃ軸がテープの平面に可能な限り垂直に近くなるように製造される。しかしながら、製造プロセスのばらつきにより、テープに沿ったｃ軸方向とｚ軸方向との間の角度オフセットに多少の変動がある可能性が高い。このオフセットは、固定オフセットに加えて、テープに沿った位置と共に変化する可変オフセットを含む可能性が高い。固定磁場配向の場合、ｃ軸とｚ軸との間のこの角度オフセットは、テープに沿った臨界電流の変動を招く。これは、テープ対が、個々のテープの合計臨界電流に近い輸送電流を流している場合には望ましくない。なぜなら、この変動性によって引き起こされる臨界電流の減少は、熱暴走及び局所的なクエンチにつながるホットスポットを生成するのに十分な長さの距離にわたって十分な輸送電流を銅層に共有させる可能性があるからである。
第１の態様によれば、磁石のコイルに電流を流すためのケーブルが提供される。ケーブルは、テープアセンブリの積層体を含む。各テープアセンブリは、長さが幅よりもはるかに大きくなるような長さ及び幅を有し、各テープアセンブリは、異方性高温超伝導体であるＨＴＳ材料のＨＴＳ層を含み、ＨＴＳ層のｃ軸は、ＨＴＳ層の平面に垂直なベクトルに対してゼロ以外の角度である。テープアセンブリは、一連の対として積み重ねられ、各対は、第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリと、それらの間の銅層とを含む。各対のテープアセンブリは、各対の第１のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層のｃ軸が、各対の第２のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層のｃ軸に対して、各ＨＴＳ層に平行でありかつ各ＨＴＳ層から等距離にある平面を中心に反射対称性を有するように配置される。
第２の態様によれば、磁石のコイルに電流を流すためのケーブルを製造する方法が提供される。第１及び第２のテープアセンブリが提供され、各テープアセンブリは、高強度金属基板層、及び異方性高温超伝導体（ＨＴＳ）材料のＨＴＳ層を含み、ＨＴＳ層のｃ軸は、ＨＴＳ層の平面に垂直なベクトルに対してゼロ以外の角度である。第１のテープアセンブリは、銅層に貼り付けられる。第２のテープアセンブリは、第１のテープのＨＴＳ層と第２のテープのＨＴＳ層とが平行であり、銅層によって分離されるように、かつ第２のＨＴＳテープアセンブリのｃ軸が、各対の第２のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層のｃ軸に対して、各ＨＴＳ層に平行でありかつ各ＨＴＳ層から等距離にある平面を中心に反射対称性を有するように、銅層に貼り付けられる。
本発明は、ピーク臨界電流がテープに沿って発生する角度のあらゆる変動がより一貫した挙動をもたらすように、ＨＴＳテープの対を組み合わせる方法を説明する。
図４は、従来の構造によるＲｅＢＣＯテープの例示的なタイプ０の対をテープの軸に垂直な断面で示す。タイプ０の対は、ＲｅＢＣＯ層４１１、４２１が互いに向かい合うように配向され、それらの間に銅積層体４３０を有する、２つのテープ４１０、４２０を含む。１つのテープに欠陥又は臨界電流の「ドロップアウト」（亀裂など）が発生した場合、これにより、抵抗率の低い銅積層体を介してＲｅＢＣＯ層４１１、４２１間で電流が伝わることが可能になる。ＲｅＢＣＯの対の間の抵抗は、この配向では、ＨＴＳ層が同じ方向を向いている状態でテープを単に積層するより一般的な配列（タイプ１の対）よりも低い。
各テープは、ＲｅＢＣＯ層の平面の垂線（すなわちｚ軸）から角度αであるｃ軸４１２、４２２と、ｃ軸に垂直なピークＩｃ角度（すなわち、臨界電流が最大となる印加磁場の角度）とを有する。
従来、タイプ０の対は、最初にＲｅＢＣＯテープのスプールからのテープ４１０を銅積層体４３０に一端から他端まで貼り付け、次にＨＴＳテープの同じスプールからのテープ４２０を銅積層体の反対側に同じ方向に貼り付けることによって構成される。この結果、ＲｅＢＣＯ４１２、４２２のｃ軸及びａ／ｂ平面４１３、４２３（すなわち、Ｉｃが最大化される印加磁場の角度）は、図４に示すように配向され、タイプ０の対のｙ軸４０１を中心に回転対称性を有する。
本開示は代替的な構造を示し、この代替的な構造では、タイプ０の対は、例示的なタイプ０の対の構造に関する図４と同等の断面である図５に示すように構成することができる。テープ５１０、ＲｅＢＣＯ層５１１、及び銅積層体５３０は、図４のテープ４１０、ＲｅＣＢＯ層５１１、及び銅積層体４３０と同等である。テープ５２０は、ＲｅＢＣＯ層４２１がテープ５１０のＲｅＢＣＯ層５１１に面するように、かつ各テープ５１０、５２０のｃ軸５１１、５２１及びａ／ｂ面５１２、５２２が、タイプ０の対の各テープに平行でありかつ各テープから等距離にある平面５０１を中心に反射対称性を有するように貼り付けられる。
図５の構造（すなわち、「反転された対」）を形成するためのテープの貼り付けは、最初にＲｅＢＣＯテープのスプールからのテープ５１０を一方向に貼り付け、次に同じＲｅＢＣＯテープのロールからのテープ５２０をｙ軸に沿って反対方向に貼り付けることによって行うことができる。代替的に、ＲｅＢＣＯテープは、テープ５１０の貼り付けとテープ５２０の貼り付けとの間にスプールから巻き戻され、反対方向に再び巻かれ、その後、テープ５２０は、テープ５１０の貼り付けと同じ方向に貼り付けられる。更なる代替案として、テープ５１０及びテープ５２０は、ｃ軸の正しい位置合わせを行うために、反対の方向に巻かれた異なるロールから同じ方向に貼り付けられ得る。
テープをスプールから直接貼り付ける必要がない場合、「反転された対」の配向は以下の方法で最も簡単に行うことができる。
１．スプールから２つの等しい長さのテープを巻き取る。
２．ＨＴＳコーティングされた側が互いに向き合うように、一方のテープを、そのｙ軸を中心に裏返す。
３．一方のテープを、ｚ軸を中心に縦方向に１８０度回転する。
１．スプールから２つの等しい長さのテープを巻き取る。
２．ＨＴＳコーティングされた側が互いに向き合うように、一方のテープを、そのｙ軸を中心に裏返す。
３．一方のテープを、ｚ軸を中心に縦方向に１８０度回転する。
代替的に、これは、必要な長さの２倍よりも長い１つのテープを巻き取ること、それを、ｘ軸を中心に（すなわち、端と端を合わせて）中央で折り重ねること、折り目を含む部分を切断するか又は他の方法で除去し、「反転された」配向のタイプ０の対（又は、基板が互いに向き合うようにテープを折り重ねる場合はタイプ２の対）に配置された２つのテープを残すことによって行うことができる。
図６Ａから６Ｄは、ｃ軸とテープの垂線との間の角度が約１度（図６Ａ）、５度（図６Ｂ）、１０度（図６Ｃ）及び３５度（図６Ｄ）のテープについて、図４（実線）又は図５（破線）に従って構成されたタイプ０の対の臨界電流対磁場の角度のプロットを示す。
図から分かるように、図５の構造を使用すると、ピーク臨界電流は低くなるが、より広い範囲の角度にわたって比較的高い臨界電流の範囲になる。ｃ軸がテープの垂線（ｚ軸）に正確に位置合わせされているテープの場合、２つの構造は同等である。
ｃ軸とｚ軸との間に小さな角度（≦５°）のオフセットを有するテープの場合、反転された対の配置は、テープに沿ったあらゆる位置でピーク臨界電流が生じる角度の変化の影響を平均化するという有益な効果を有する。これは、図６Ａ（破線の曲線）に示すように、対の個々のテープのピークが１つのより低い幅の広いピークにマージされるためである。テープに沿った角度オフセットのわずかな変動により、ピークが広がったり鋭くなったりする。
また、反転された対がテープの単一のリールから作られている場合には、リールの最初の部分における臨界電流が、供給されるリールの末端部における臨界電流よりも低いか又は高い場合、これも反転されたタイプ０の配向によって平均化される。
反転された対の配向の正味の効果は、ＨＴＳテープに沿ったピーク臨界電流の製造ばらつきを平均化することである。テープに沿って均一な臨界電流を想定している磁石の設計を実際に動作する磁石に変えることの利点は明らかである。
しかしながら、いくつかの市販のテープでは、ｃ軸３２０は、テープの平面の垂線から３０～３５度も異なることに留意されたい。反転された対の配向は、これらのテープではあまり有用ではない。ピークＩｃが２つのピークに分割され、両方ともテープ対の反転されていない配置におけるピークよりも低いからである。これを図６Ｄに示す。
また、「反転されたテープ」の構造を使用すると、タイプ０の対を用いて巻回され、臨界電流に近づけられた電磁コイル内での電流共有の対称的な分布が生じる。図７Ａは、図４の構造による複数のタイプ０の対から構成されるパンケーキソレノイド電磁コイルの断面について電流と臨界電流との比のチャートを示し、図７Ｂは、図５の構造（すなわち、「反転された」配向）による複数のタイプ０の対から構成される電磁コイルの断面について電流Ｉと臨界電流Ｉｃとの比のチャートを示す。各コイルは、互いに積み重ねられた、タイプ０の対の２つの螺旋「パンケーキ」巻線（すなわち、ｚ＝０からｚ＝１２までのものと、ｚ＝０からｚ＝－１２までのもの）から構成され、全てのテープのｘ軸は電磁コイルの軸に平行であり、テープのｚ軸は電磁コイルの半径に沿って配向される。使用されるＲｅＢＣＯテープは、ｃ軸とテープの平面の垂線（ｚ軸）との間の角度が３５度である。図から分かるように、図７Ｂの配置は対称である。これは電流共有による対称な加熱につながり、これはコイル性能を理解する観点からより望ましい。
上記の説明は、ＨＴＳテープのタイプ０の対の配置に焦点を当てているが、ＨＴＳテープのｃ軸がＨＴＳ層に平行な平面を中心に反射対称性を有するように配置された、タイプ１の対（すなわち、一方のＨＴＳ層が基板の間にあり、他方のＨＴＳ層が基板の間にないように、一方のテープのＨＴＳ層が他方のテープの基板層に面している場合）又はタイプ２の対（すなわち、基板層がＨＴＳ層の間に位置するように、基板層が互いに向かい合う場合）に対して同様の配置を使用することができる。また、上記の開示は、対の一方又は両方のテープが「剥離」ＨＴＳテープ、すなわち基板のないＨＴＳテープである場合にも適用され得る。
Claims (17)
- 磁石のコイルに電流を流すためのケーブルであって、
テープアセンブリの積層体であって、各テープアセンブリは、長さが幅よりもはるかに大きくなるような長さ及び幅を有し、各テープアセンブリは、異方性の高温超伝導体（ＨＴＳ）材料のＨＴＳ層を含み、前記ＨＴＳ層のｃ軸は、前記ＨＴＳ層の平面に垂直なベクトルに対してゼロ以外の角度である、テープアセンブリの積層体を含み、
前記テープアセンブリは、一連の対として積み重ねられ、各対は、第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリと、それらの間の銅層とを含み、
各対のテープアセンブリは、各対の第１のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層のｃ軸が、各対の第２のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層のｃ軸に対して、各ＨＴＳ層に平行でありかつ各ＨＴＳ層から等距離にある平面を中心に反射対称性を有するように配置される、ケーブル。 - 前記ＨＴＳ材料は、ＲｅＢＣＯとＢＳＣＣＯのいずれかである、請求項１に記載のケーブル。
- 各ＨＴＳテープアセンブリは基板を含む、請求項１又は２に記載のケーブル。
- 前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層が前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリの基板の間に配置されるように各対が配置される、請求項３に記載のケーブル。
- 前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリの基板が前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層の間に配置されるように各対が配置される、請求項３に記載のケーブル。
- 一方のＨＴＳ層が前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリの基板の間に配置され、他方のＨＴＳ層が前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリの基板の外側に配置されるように、各対が配置される、請求項３に記載のケーブル。
- 各ＨＴＳテープアセンブリは剥離ＨＴＳテープを含む、請求項１又は２に記載のケーブル。
- 前記銅層の厚さが１０ミクロンから４００ミクロンの間である、請求項１から７のいずれか一項に記載のケーブル。
- 磁石のコイルに電流を流すためのケーブルを製造する方法であって、
各ＨＴＳテープアセンブリが高強度金属の基板層と異方性の高温超伝導体（ＨＴＳ）材料のＨＴＳ層とを含み、前記ＨＴＳ層のｃ軸が前記ＨＴＳ層の平面に垂直なベクトルに対してゼロ以外の角度である、第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリを提供することと、
前記第１のＨＴＳテープアセンブリを銅層に貼り付けることと、
前記第１のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層と前記第２のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層とが平行であり、前記銅層によって分離されるように、かつ前記第１のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層のｃ軸が、前記第２のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層のｃ軸に対して、各ＨＴＳ層に平行でありかつ各ＨＴＳ層から等距離にある平面を中心に反射対称性を有するように、前記第２のＨＴＳテープアセンブリを前記銅層に貼り付けることと
を含む方法。 - 各ＨＴＳテープアセンブリは基板層を含む、請求項９に記載の方法。
- 前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリは、それぞれのＨＴＳ層がそれぞれの基板層と前記銅層との間にあるように、前記銅層に貼り付けられる、請求項１０に記載の方法。
- 前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリは、それぞれの基板層がそれぞれのＨＴＳ層と前記銅層との間にあるように、前記銅層に貼り付けられる、請求項１０に記載の方法。
- 前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリは、前記第１のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層が、前記第１のＨＴＳテープアセンブリの基板層と前記銅層との間にあり、前記第２のＨＴＳテープアセンブリの基板層が、前記第２のＨＴＳテープアセンブリのＨＴＳ層と前記銅層との間にあるように、前記銅層に貼り付けられる、請求項１０に記載の方法。
- 各ＨＴＳテープアセンブリは剥離ＨＴＳテープを含む、請求項９に記載の方法。
- マスターＨＴＳテープアセンブリを第１リールから第２リールに部分的に移動させることと、
前記マスターＨＴＳテープアセンブリの前記第１リール上の部分を前記マスターＨＴＳテープアセンブリの前記第２リール上の部分から分離することと、
前記第１リールからの前記第１のＨＴＳテープアセンブリと前記第２リールからの前記第２のＨＴＳテープアセンブリを貼り付けることと
を含む、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。 - 前記第１のＨＴＳテープアセンブリは、前記銅層に沿って、前記第２のＨＴＳテープアセンブリが貼り付けられる方向と反対の方向に貼り付けられる、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第１及び第２のＨＴＳテープアセンブリは、マスターＨＴＳテープアセンブリを前記ＨＴＳ層の平面内にありかつ前記マスターＨＴＳテープアセンブリの長さに垂直な軸を中心に折り重ね、折り目を含む前記マスターＨＴＳテープアセンブリの領域を除去することによって形成される、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
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