JP2022500817A - 可撓性ｈｔｓ電流リード、その製造方法及び再形成方法 - Google Patents

Abstract

第１の態様によれば、ＨＴＳ電流リードが提供される。ＨＴＳ電流リードは、複数のＨＴＳテープを含むＨＴＳケーブルと、ＨＴＳケーブルの周りの編組スリーブと、ＨＴＳケーブルと編組スリーブに含浸させた安定化材とを含む。安定化材は、ＨＴＳテープの臨界温度よりも高く、ＨＴＳテープの熱劣化温度よりも低い融点を有する。

Description

本発明は、超伝導デバイスに関する。特に、本発明は、高温超伝導体を含む電流リードに関する。

超伝導材料は一般に、「高温超伝導体」（ＨＴＳ）と「低温超伝導体」（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よりも低い臨界温度（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よりも高い臨界温度を有する場合がある（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、通常は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１００は、一般に約１００ミクロンの厚さであり、基板１０１（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１０１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１０２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１０３（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１０４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１０５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１０１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１０２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１０４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１０５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。

磁石などの超伝導システムの設計における共通の課題は、極低温環境への熱負荷を最小限に抑えながら極低温で高電流を得ることである。通常、大電流は室温で（すなわち極低温環境の外で）生成され、電流リードによってクライオスタットに輸送される。電流リードは典型的には、銅（約３００Ｋの温度の場合）、真鍮（３００Ｋから７７Ｋの温度の場合）、及び高温超伝導体（ＨＴＳ）（７７Ｋよりも低い温度の場合）の混合物である。電流リードは、単一の温度でシステムの領域内で電流を輸送するためにも使用され得る。

クライオスタットに電力を伝送するスイッチモード電源を有するなど、他の解決策を使用することができるが、これらは一般に、電源と超伝導システムとの間のＨＴＳ電流リードを含む。

ＨＴＳ電流リードは、剛性であっても可撓性であってもよい。剛性リードは、クライオスタットが冷却されるときの熱収縮により機械的な問題を引き起こす可能性がある。ＨＴＳテープは小さすぎる半径で曲げると亀裂が発生し、動作中の曲げによる歪みがあると臨界電流が減少するため、可撓性リードは注意深く取り扱う必要がある。

第１の態様によれば、ＨＴＳ電流リードが提供される。ＨＴＳ電流リードは、複数のＨＴＳテープを含むＨＴＳケーブルと、ＨＴＳケーブルの周りの編組スリーブと、ＨＴＳケーブルと編組スリーブに含浸させた安定化材とを含む。安定化材は、ＨＴＳテープの臨界温度よりも高く、ＨＴＳテープの熱劣化温度よりも低い融点を有する。

第２の態様によれば、ＨＴＳ電流リードを製造する方法が提供される。複数のＨＴＳテープを含むＨＴＳケーブルが提供される。ケーブルの周りに編組スリーブが配置される。編組スリーブの周りには漏出防止シースが配置される。漏出防止シースは、安定化材で充填され、安定化材は、ＨＴＳテープの臨界温度よりも高く、ＨＴＳテープの熱劣化温度よりも低い融点を有する。漏出防止シースは充填されている。

第３の態様によれば、第１の態様によるＨＴＳ電流リードを再形成し、さらに安定化材の周りに漏出防止シースを含む方法が提供される。ＨＴＳ電流リードは、安定化材の融点よりも高く、ＨＴＳテープの劣化温度よりも低い温度に加熱される。ＨＴＳ電流リードは、所望の形状に曲げられる。ＨＴＳ電流リードは、ＨＴＳ電流リードを所望の形状に保ちながら冷却することができる。

ＨＴＳテープの概略図である。 ＨＴＳ電流リードの例示的な構造の概略図である。 端子を含むＨＴＳ電流リードの例示的な構造の概略図である。

ＨＴＳ電流リードの構成を図２に示す。ＨＴＳ電流リードは、編組スリーブ２０２内に保持されている複数のＨＴＳテープ２０１を含む。テープ２０１及び編組スリーブ２０２は、シース２０４によって所定の位置に保持されているワックス２０３に包まれている。

ＨＴＳテープは、積層される（すなわち、すべて平行である）か又は他の向きでケーブル内に配置される（例えば、ねじれた積層体又は編組ケーブル）。

編組スリーブは、電流リードをより大きくするように作用し、これは、ケーブルのみを曲げるのに比べて、テープに損傷を与える曲げ半径で電流リードを曲げることがはるかに困難であることを意味する。編組スリーブは、ＨＴＳテープのための電気的な「安定化装置」としても、すなわち、ＨＴＳテープを通る電流が臨界電流を超えた場合の代替的な電流経路としても機能するように金属を含むことができる。編組スリーブに好適な金属は真鍮又は銅を含み、金属のフィラメントはＰｂＳｎはんだなどの別の金属で被覆することができる。

編組スリーブは、特定の曲率半径未満での曲げを完全に防止するように構成することができる。

ワックスは、システムの取り扱い中及び超伝導システムの動作中に、電流リードを構造的に安定に保つように作用する。電流リードを加熱してワックスを溶融させ、電流リードを所望の形状に曲げ、次いで冷却してその形状を維持することができる。好適なワックスは、電流リード線の意図された動作温度（例えば、７７Ｋ、又はＨＴＳテープの臨界温度）よりも高いか又は室温（２９０Ｋ、室温での安定性を確保するため）よりも高いが、ＨＴＳの劣化温度（すなわち、ＨＴＳへの永久的な損傷が生じる温度、通常約２００°Ｃ）よりも低い融点を有する。編組スリーブ、シース、又はＨＴＳ電流リード内のいずれかのはんだの融点がＨＴＳ劣化温度よりも低い場合、ワックスの融点もこれより低いことができ、又は、低い融点のコンポーネントがワックスと同じ温度に達するのを防ぐ（例えば、はんだ付け部分を避ける）ような方法で熱を加えることができる。

本明細書では例としてワックスを使用するが、室温よりも高く、ＨＴＳ劣化温度よりも低い融点を有する他の物質も、ＨＴＳ電流リードを含浸させるための安定化材としての使用に適している。

極低温冷却中のワックスの特性も考慮され得る。一部のワックスは、極低温まで冷却して室温まで温め直すと粉末に分解するため、冷却と加温のサイクルが予想される用途には適していない（ただし、恒久的に極低温に保たれるデバイスには適している）。どのワックスが極低温で良好に機能するかは、ルーチンの実験によって決定することができる。

室温及び極低温におけるワックスの剛性も、システムの設計制約によっては考慮事項である。剛性の高いワックスほど、動作中の（例えば、ローレンツ力に対する）構造的保護は良好であるが、熱収縮による機械的な問題に悩まされる可能性がある。可撓性の高いワックスは、ローレンツ力からの保護が少なくなるが、熱収縮を補償するためにより簡単に曲がることができる。

上記の条件を満たすワックスの１つが蜜ろう（融解温度６０°Ｃ、極低温サイクルを通じて安定）である。本明細書で「ワックス」が使用される場合、これはまた、所望の特性を達成するための様々なワックス又は他の材料の混合物であり得る。

シース２０４は、ケーブルを再形成するためにワックスが加熱されると、熱収縮材料が収縮してワックスが構造内のあらゆる空隙を充填することを促進するような熱収縮材料であり得る。ＨＴＳ電流リードが所定の位置に形成され、ワックスが固化すると、シース２０４は、必要に応じて除去され又は更なる電気絶縁のために着けたままにされ得る。

それ以外の点では漏出防止シースを提供するのに適している多くの材料は、極低温で脆くなる。したがって、シース２０４は、室温及びワックスを溶融するのに必要な温度で漏れがない第１の「室温」シースと、極低温で構造的完全性を維持する、「室温」シースを取り囲む第２の「極低温」シースとを含むことができる。

図３は、図２によるＨＴＳ電流リードと端子台との間の接続の概略図である。端子台は、ＨＴＳ電流リードを電気的、熱的及び構造的に他の構成要素に接続するために使用することができる。

ＨＴＳ電流リード２００は、前と同じ構成要素、すなわち、ＨＴＳテープ２０１と、編組スリーブ２０２と、ワックス２０３と、シース２０４とを有する。ＨＴＳテープ２０１は、編組スリーブ２０２を越えて端子台３００内に延びている。追加の銅テープをＨＴＳテープの間に配置して、ＨＴＳテープが端子台内でさらに間隔を空けて配置され、過電流（端子台は抵抗加熱を受ける可能性が高く、抵抗加熱によりテープの臨界電流が低下し、クエンチのリスクが高まるが、過剰な銅はこれを軽減するのに役立つ）の場合に追加の銅が提供されるようにすることができる。

端子台は、ＨＴＳテープが間に締め付けられている上側部分３０１と下側部分３０２から形成され得る。代替的に、端子台は、ＨＴＳテープを受け入れるための凹部又は貫通孔を有する単一のユニットとして形成され得る。他の好適な構造も使用され得る。端子台の凹部又は貫通孔（又は締め付けられている例では２つの部分の間のスペース）は、ＨＴＳテープを０．１ｍｍ以内に収めて、ＨＴＳテープを端子台に容易にはんだ付け可能にすることができる。

編組スリーブ２０２は、端子台の側面の突出部３０３を取り囲み、シース２０４もこの突出部の周りに延びている。編組スリーブ２０２、ＨＴＳテープ２０１、及び端子台３００は、はんだ付けによって、例えば、端子台全体及び突出部をはんだに浸すこと（シース２０４及びワックス２０３を高温のはんだから離しておくこと）によって接続することができる。はんだは、ＨＴＳの劣化温度よりも低い融点を有するように選択される必要がある。端子台とシース２０４との間を接合するようにシーリング材を塗布することができる。

端子台を含むＨＴＳ電流リードは、以下のステップによって製造することができる。
１．ＨＴＳテープを長さに切断し、（例えば、積み重ねることによって）ケーブルに組み立てる。
２．第１の端子台をケーブルの一端に配置する。
３．編組スリーブを所望の長さに切断し、ケーブル上で第１の端子台まで、突出部の周りにスライドさせる。
４．第１の端子台をはんだに浸して、ＨＴＳケーブル及び編組スリーブを互いに及び第１の端子台に固定する。
５．シースを編組スリーブ上でスライドさせ、第１の端子台に隣接する端部で密封する。
６．シースにワックスを充填し、第１の端子台から最も遠い端部で、その端部が第２の端子台を取り付ける場所からある程度離れて保持されるようにシースを一時的に固定する。
７．第２の端子台をケーブルの自由端の上に配置し、編組スリーブを第２の端子台の突出部の上にスライドさせる。
８．第２の端子台をはんだに浸して、ＨＴＳケーブル及び編組スリーブを互いに及び第２の端子台に固定する。
９．シースを第２の端子台までスライドさせ、その端部で密封する。
１０．組立体を加熱してワックスを溶かす（熱収縮材料をシースに使用する場合は、熱収縮材料を収縮させる）。

これらのステップは、図３を参照して説明した端子台以外の端子に対して適切に変更することができる。一般に、ＨＴＳ電流リードを形成するには、以下のステップが必要である。
１．複数のテープを含むＨＴＳケーブルを提供する。
２．ケーブルの周りに編組スリーブを配置する。
３．編組スリーブの周りにシースを配置する。
４．シースにワックスを（溶融ワックス又はペレットの形で）充填する。
５．シースを密封する。
６．ペレットを使用した場合はワックスを溶融する。

これらのステップは、ＨＴＳケーブルを使用する端子に接続するために必要に応じて並べ替え又はサブステップに分割し得る。

積層されたテープを含むＨＴＳケーブルを使用する場合（及び潜在的には他のケーブル設計の場合）、端子台の相対的な向きは、ほぼケーブルを作成するときの端子台の向きに制限される（例えば、端子台が平行である場合、ＨＴＳ電流リードが曲げられても、端子台はほぼ平行のままである）。これは、端子台の相対的な向きを大幅に変更するには、スタックの一方の側のＨＴＳテープを、スタックの他方の側のＨＴＳテープに対して伸びる必要があるためである。これは、端子台が所望の相対的な向きになるように、第２の端子台を取り付ける前に積層されたＨＴＳケーブルを予め曲げることによって軽減することができる。

Claims (22)

1. 高温超伝導（ＨＴＳ）電流リードであって、
   複数のＨＴＳテープを含むＨＴＳケーブルと、
   前記ＨＴＳケーブルの周りの編組スリーブと、
   前記ＨＴＳケーブル及び前記編組スリーブに含浸させた安定化材であって、前記ＨＴＳテープの臨界温度よりも高く、前記ＨＴＳテープの熱劣化温度よりも低い融点を有する安定化材と
   を含むＨＴＳ電流リード。
2. 前記安定化材は２９０Ｋよりも高い融点を有する、請求項１に記載のＨＴＳ電流リード。
3. 前記安定化材はワックスである、請求項２に記載のＨＴＳ電流リード。
4. 前記編組スリーブは金属を含み、前記ＨＴＳケーブルに電気的に接続されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のＨＴＳ電流リード。
5. 前記金属は銅又は真鍮である、請求項４に記載のＨＴＳ電流リード。
6. 前記ＨＴＳケーブルの各端部にそれぞれの端子台を含み、各端子台は、前記ＨＴＳテープに電気的に接続され、外部コンポーネントに電気的に接続するように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のＨＴＳ電流リード。
7. 各端子台は前記ＨＴＳケーブルにはんだ付けされている、請求項６に記載のＨＴＳ電流リード。
8. 各端子台は前記編組スリーブに取り付けられている、請求項６又は７に記載のＨＴＳ電流リード。
9. 各端子台は前記編組スリーブにはんだ付けされている、請求項７に記載のＨＴＳ電流リード。
10. 各端子台は前記ＨＴＳケーブルの一部の周りに延びる突出部を含み、前記編組スリーブは前記突出部の周りに延びる、請求項８又は９に記載のＨＴＳ電流リード。
11. 前記安定化材を取り囲む漏出防止シースを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＨＴＳ電流リード。
12. 前記漏出防止シースは取り外し可能である、請求項１１に記載のＨＴＳ電流リード。
13. 前記漏出防止シースは、漏出防止材料から形成された内側シースと、７７Ｋ未満に冷却した後も構造的完全性を維持する材料から形成された外側シースとを含む、請求項１１に記載のＨＴＳ電流リード。
14. ＨＴＳ電流リードを製造する方法であって、
    複数のＨＴＳテープを含むＨＴＳケーブルを提供することと、
    前記ケーブルの周りに編組スリーブを配置することと、
    前記編組スリーブの周りに漏出防止シースを配置することと、
    前記ＨＴＳテープの臨界温度よりも高く、前記ＨＴＳテープの熱劣化温度よりも低い融点を有する安定化材を前記漏出防止シースに充填することと、
    前記漏出防止シースを密封することと
    を含む方法。
15. 前記安定化材は２９０Ｋよりも高い融点を有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記漏出防止シースに前記安定化材を充填するステップは、
    前記安定化材のペレットを前記漏出防止シースに挿入することと、
    前記ペレットを溶かすことと
    を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ケーブルを少なくとも一端で端子台に取り付けることを含む、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記編組スリーブを前記端子台に取り付けるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記編組スリーブ及び前記ケーブルを前記端子台に取り付けることは、前記端子と、前記ケーブルの一部と、前記スリーブの一部とを一緒にはんだ槽に浸すことを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１の端子台と第２の端子台が一度取り付けられると互いに対して相対的にある角度になるように、前記ＨＴＳケーブルに前記第２の端子台を取り付ける前に前記ＨＴＳケーブルを曲げることを含む、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記漏出防止シースが熱収縮材料から形成されており、前記安定化材を溶融して前記シースを収縮させるために、前記漏出防止シースに安定化材を充填するステップに続いて、前記漏出防止シースを加熱することを含む、請求項１４から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 請求項１１から１３のいずれか一項に記載のＨＴＳ電流リードを再形成する方法であって、
    前記ＨＴＳ電流リードを、前記安定化材の融点よりも高く、前記ＨＴＳテープの劣化温度よりも低い温度に加熱することと、
    前記ＨＴＳ電流リードを所望の形状に曲げることと、
    前記ＨＴＳ電流リードを所望の形状に保ちながら前記ＨＴＳ電流リードが冷却できるようにすることと
    を含む方法。

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