JP3796259B2 - 完全転位高Ｔｃ複合超伝導導体の製造方法とその方法で製造された導体 - Google Patents
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Description
本発明は、レーベルバー（Roebelstab）様式で構成されて高Ｔc超伝導材料を備えた複数の部分導体を有し、各部分導体が幅Ｂを持つ、横断面が少なくともほぼ矩形の完全転位複合超伝導導体の製造方法に関する。その製造中、部分導体を隣の部分導体の範囲への幅Ｂの平面内における横方向移行領域を備えた形状とし、部分導体を互いに撚りあわせる。また本発明は、この方法で製造した導体に関する。該導体とその製造方法は、国際公開第０１／５９９０９号パンフレットで知られている。
例えば変圧器巻線、電機巻線或いは他の磁石巻線を実現すべく、高Ｔc超伝導導体（以下ＬＴＳ導体と呼ぶ）を電力技術用途に応用するには、ｋＡ範囲迄の交流電流定格値を持ち損失の少ない導体が必要とされる。しかし従来、７７Ｋにおいて自己磁界内で数１００Ａeffの電流容量を持つ、小さな横断面積のＬＴＳ帯状導体しか提供されていない。またこの帯状導体は、機械的に非常に敏感であり、その電気的特性は、それが置かれている局部磁界の大きさと方向に著しく左右される。
そのため技術的に使用可能な大電流超伝導導体は、多数の個別の平行な帯状導体から、例えば独国特許第２７３６１５７号明細書に開示の所謂複合導体の形に構成されている。商用周波数（一般には６０Ｈｚ迄）の領域で交流電流に適用すべく、更に、以下で部分導体又は個別導体と呼ぶこの複合導体の帯状導体は、断面全体にわたり一様な電流分布、従って僅かな交流電流損失を保証すべく、相互に絶縁し、且つ組織的に転位させ、又は撚らねばならない。
大きな交流電流容量を持つ撚り導体又は電力用ケーブルとも呼ばれる相応した複合導体は、原理的に公知である。この複合導体は、次のように構成される。即ち、
・例えば大形の交流電機用の、銅から成る部分導体を備えた、例えばレーベルバー、シュレンクバー或いは格子状バーの形をした所謂「導体バー」として、
・変圧器又はリアクトル用の、銅製の部分導体を備えた所謂「ドリル導体」として、又は
・例えばＣｕ中のＮｂＴｉ等の金属超伝導導体から成る部分導体を備えた所謂転位「平形或いは丸形導体」として（前記独国特許第２７３６１５７号明細書参照）。
・例えば大形の交流電機用の、銅から成る部分導体を備えた、例えばレーベルバー、シュレンクバー或いは格子状バーの形をした所謂「導体バー」として、
・変圧器又はリアクトル用の、銅製の部分導体を備えた所謂「ドリル導体」として、又は
・例えばＣｕ中のＮｂＴｉ等の金属超伝導導体から成る部分導体を備えた所謂転位「平形或いは丸形導体」として（前記独国特許第２７３６１５７号明細書参照）。
また交流電流容量を高めるべくＨＴＳ導体を転位させることも原理的に公知である。これに関する具体的な設計上の考察と構造上の示唆は、次のことに関連している。即ち
・丸形或いは実際上丸形のＨＴＳ導体を単線或いは複線に連続的に転位する（例えば“IEEE Trans. Appl. Supercond.”第７巻、第２号（１９９７年６月）、第９５８〜９６１頁に記載の所謂「ラザーフォードケーブル」参照）。
・電力用ケーブルにおいて、撚られた帯状のＨＴＳ部分導体の導体層から導体層へのピッチを変えることで、連続的な転位を行う（所謂「ピッチ調節」、例えば国際公開第９６／３９７０５号パンフレット参照）。
・所謂「インサイチュー」転位、即ち、例えば変圧器巻線の巻芯への直接巻回製造時に、その場所で逐一転位する（例えば“IEEE Trans. Appl. Supercond.”第７巻、第２号（１９９７年６月）、第２９８〜３０１頁参照）。
・丸形或いは実際上丸形のＨＴＳ導体を単線或いは複線に連続的に転位する（例えば“IEEE Trans. Appl. Supercond.”第７巻、第２号（１９９７年６月）、第９５８〜９６１頁に記載の所謂「ラザーフォードケーブル」参照）。
・電力用ケーブルにおいて、撚られた帯状のＨＴＳ部分導体の導体層から導体層へのピッチを変えることで、連続的な転位を行う（所謂「ピッチ調節」、例えば国際公開第９６／３９７０５号パンフレット参照）。
・所謂「インサイチュー」転位、即ち、例えば変圧器巻線の巻芯への直接巻回製造時に、その場所で逐一転位する（例えば“IEEE Trans. Appl. Supercond.”第７巻、第２号（１９９７年６月）、第２９８〜３０１頁参照）。
レーベルバー様式で構成された複数の部分導体を有し、横断面が少なくともほぼ矩形をなす完全転位ＨＴＳ複合超伝導導体の実現可能な形状とその製造方法は、上述した国際公開第０１／５９９０９号パンフレットに開示がある。該複合導体は、帯状部分導体が所定の曲げ半径を持ち、所定の曲げ領域長で横方向に曲がっていると言う特色がある。隣の部分導体の範囲への移行が行われる「エッジ方向曲げ領域」の製造は、レーベル転位過程中に実施される。その過程は、曲げ半径と曲げ領域に関して或る最低量を必要とする。即ち各部分導体に対し、曲げ半径Ｒを幅Ｂの１００倍より大きくし、かつ曲げ領域長又は移行領域長Ｈを幅Ｂの２０倍より大きくする必要がある。従って、公知のＨＴＳ複合導体の完全転位長は比較的大きい。複合導体に、ＢｉＳｒＣａＣｕＯ物質系から成る材料を含む帯状部分導体を利用するとよい。この導体は、通常、好適にはＡｇやＡｇ合金等の常伝導性母材内に埋設されたＨＴＳ材料製芯を備える。
単芯又は多芯の（部分）導体の他に、ＨＴＳ材料による帯状担体の片側面被覆又は両側 面被覆によっても帯状ＨＴＳ導体が得られる（例えば、"Physica C"、 第１８５〜１ ８９巻（１９９１年）、第１９５９〜１９６０頁、“Appl. Phys.Lett.”第６５巻、第 １５号（１９９４年１０月１０日）、第１９６１〜１９６３頁、 “Appl. Phys.Lett. ”第７１巻、第１８号（１９９７年１１月３日）、第２６９５〜２６９７頁又は国際公 開第００／４６８６３号パンフレット参照）。しかし、そのような導体は公知のＨＴＳ 複合材料における構成に対して、エッジ方向曲げ工程のために帯状担体上に設けられた ＨＴＳ層が破損する恐れがあるので、簡単には利用できない。
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の製造方法を、被覆済み帯状担体から成る部分導体を備えた完全転位ＨＴＳ複合導体も製造できるように改良することにある。
この課題は、製造方法に関しては、請求項１に記載の特徴事項によって解決できる。それに応じて、冒頭に述べた形式の方法において、部分導体の成形工程を撚り工程から分離し、その部分導体として、高Ｔc超伝導材料で被覆した帯状担体が利用できる。
本発明による製造方法に伴い生ずる利点は、仕上がった超伝導導体に対する上述したエッジ方向曲げ工程が回避可能な点にある。この結果ＨＴＳ材料で被覆した帯状担体を、その特別な層構造のためエッジ方向曲げを許さない部分導体として利用できる。更に比較的短いエッジ方向曲げ領域が製造可能となり、それに伴い短い完全転位長も生ずる。
本発明に基づく方法の有利な実施態様を、請求項１の従属請求項に示す。
即ち、特に成形工程は、超伝導材料による被覆工程前に、例えば帯状担体に対する曲げ工程又は所望の形状に裁断した帯状担体の半製品に対する切断工程により行う。
これに代えて、成形工程を、超伝導材料で既に被覆した帯状担体の半製品に関する少なくとも１つの切断工程によっても行える。
本発明に基づく方法で製造した複合超伝導導体の有利な実施態様を、請求項６とその従属請求項に示す。
即ち複合超伝導導体は、複合超伝導導体の移行領域の電流流れ方向における寸法をＨ、部分導体の幅をＢとした場合、Ｂ＜Ｈ＜２０×Ｂの関係にあるとよい。この複合超伝導導体は、その部分導体の短い移行領域を持つ比較的短い完全転位長を特徴とする。
原理的には複合超伝導導体の構成に対し種々の部分導体、例えば超伝導材料付き、超伝導材料なしおよび／又は種々の横断面を持つ部分導体を利用できる。しかし複合導体全横断面積にわたる一様な電流分布に関し、同一構造の部分導体で構成すると有利である。
複合超伝導導体の固定手段として、特に部分導体の接着やろう付けが使える。複合超伝導導体に十分な可撓性を与えるべく、テーピングや編組を行うとよい。その際、場合によっては後での合成樹脂の含浸や良好な冷却材の流入に関し、テーピングや編組に、特にそれに応じた透過性又は吸収性を持たせる。
複合超伝導導体の利用時の交流電流損失の低下に関し、複合超伝導導体を、少なくとも幾つかが互いに電気的に絶縁された部分導体で構成するとよい。
複合導体の部分導体に対し、高Ｔc超伝導材料として（ＲＥ）Ｍ2Ｃｕ3Ｏx系の材料を利用し、成分ＲＥがイットリウムを必須として少なくとも１つの希土類元素を含み、成分Ｍが少なくとも１つのアルカリ土金属を含むと有利である。かかるＨＴＳ材料から成る層は、公知の方法で、周知の帯状担体上に高い電流容量で付着させ得る。
従って、本発明に基づく複合超伝導導体は、大きな電流容量と、長い導体長の量産製造可能性とを特徴とする。これは、例えば変圧器、電機或いは磁石のような交流電流で運転する電力用装置に特に有用である。
本発明に基づく製造方法の他の有利な実施態様と該方法で製造した複合超伝導導体を、先に挙げていない請求項に示す。
以下、図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付している。
本発明に従い製造する複合超伝導導体に利用する部分導体は、既に公知である。該導体２は、図１の斜視図の如く、通常少なくとも１つの緩衝層を持つ帯状担体３を持つ。緩衝層上に、ＨＴＳ材料から成る層４が付着している。該層としてＢｉＳｒＣａＣｕＯ系の材料の他に、特に（ＲＥ）Ｍ2Ｃｕ3Ｏx系の材料も利用できる。ここでＲＥ（希土類）成分は、イットリウムを必須として少なくとも１つの希土類元素を含む。成分Ｍは、例えばＢａ等の少なくとも１つのアルカリ土金属である。この型の代表はＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx（ｘ＝７−δ、所謂ＹＢＣＯ）である。この材料の少なくとも１つの成分は、各系列の別の成分で、少なくとも部分的に置換しても勿論差し支えない。
帯状担体３の材料として、例えばニッケル（Ｎｉ）やニッケル合金が挙げられる。担体の表面は、特に２軸方向にテクスチュア加工される。帯状基板は、名称「ＲＡＢＩＴＳ（"Rolling-Assisted-Biaxially-Textured-Substrates" 」で知られている（例えば" Appl. Supercond.”第４巻、第１０−１１号、第４０３〜４２７頁参照）。
レーベルバー様式で構成したそのような複数の部分導体により、少なくとも横断面が略矩形の完全転位複合超伝導導体が構成される。その構造は、ほぼ国際公開第０１／５９９０９号パンフレットに開示の複合導体の構造に対応する。そこで利用された符号を模し、図２と３の実施例では、次の符号を付している。即ち図中Ｈは移行領域（又はエッジ方向曲げ領域）、Ｇは曲げていない直線部分、ＰはＨ＋Ｇ、即ち周期的エッジ方向曲げ領域間隔、Ｖは完全転位長、Ｂは部分導体幅そしてＤは部分導体厚である。
好適には、その移行領域Ｈの長さに対し、次式が適用される。
Ｂ＜Ｈ＜２０×Ｂ
更に、部分導体数Ｎの複合超伝導導体に対し、次式が適用される。
Ｖ＝Ｎ×Ｂ
本発明に基づく複合導体を製造すべく、移行領域Ｈの（例えば曲げ加工或いは切断加工による）成形過程並びに部分導体２ｉ（ｉ＝１・・〜Ｎ）の結束（ないしは撚り合せ）過程が分離される。この場合、以下の２つの方式ａ）、ｂ）が可能である。即ち、
ａ）移行領域の成形は、例えばＨＴＳ材料による被覆前における鋼板のような大きな物体 からの帯状担体の曲げ加工或いは切断加工によって行う。
ｂ）移行領域の成形は、ＨＴＳ材料による被覆後のテープや半製品の曲げ加工や切断加工 にて行う。ここで半製品とは、幅Ｂに比べて幅広く少なくとも１つの部分導体が裁断で きる物体を意味する。
ａ）移行領域の成形は、例えばＨＴＳ材料による被覆前における鋼板のような大きな物体 からの帯状担体の曲げ加工或いは切断加工によって行う。
ｂ）移行領域の成形は、ＨＴＳ材料による被覆後のテープや半製品の曲げ加工や切断加工 にて行う。ここで半製品とは、幅Ｂに比べて幅広く少なくとも１つの部分導体が裁断で きる物体を意味する。
方式ａ）の変法に基づく製造
１）場合により、前処理した帯状担体（例えばニッケル合金製のＲＡＢＩＴＳや帯材のような例えば特殊鋼帯材又は圧延繊維組織金属帯材）を、移行領域Ｈと直線部分Ｇとを備えた図１に示す形状に応じて、切断加工或いは曲げ加工する。
２）１つ或いは複数の適当な（例えばＹＳＺ、ＣｅＯ2、ＭｇＯ製の）緩衝層を設ける。
３）ＨＴＳ材料ＹＢＣＯ（又は“１２３”−材料系（ＲＥ）1Ｍ2Ｃｕ3Ｏxの同系ＨＴ Ｓ材料）の層を設置する。
４）必要なら金属覆い層或いは金属囲いを設置する。
５）必要なら絶縁層で囲い込む。
６）Ｎ個の部分導体を、完全転位複合導体の形に結束し、その際、互いに隣の部分導体２ i、２i+1を、周期的エッジ方向曲げ領域間隔Ｐだけ互いにずらす。
７）必要なら複合導体全体の被覆又は外被を設ける。
１）場合により、前処理した帯状担体（例えばニッケル合金製のＲＡＢＩＴＳや帯材のような例えば特殊鋼帯材又は圧延繊維組織金属帯材）を、移行領域Ｈと直線部分Ｇとを備えた図１に示す形状に応じて、切断加工或いは曲げ加工する。
２）１つ或いは複数の適当な（例えばＹＳＺ、ＣｅＯ2、ＭｇＯ製の）緩衝層を設ける。
３）ＨＴＳ材料ＹＢＣＯ（又は“１２３”−材料系（ＲＥ）1Ｍ2Ｃｕ3Ｏxの同系ＨＴ Ｓ材料）の層を設置する。
４）必要なら金属覆い層或いは金属囲いを設置する。
５）必要なら絶縁層で囲い込む。
６）Ｎ個の部分導体を、完全転位複合導体の形に結束し、その際、互いに隣の部分導体２ i、２i+1を、周期的エッジ方向曲げ領域間隔Ｐだけ互いにずらす。
７）必要なら複合導体全体の被覆又は外被を設ける。
方式ｂ）の変法に基づく製造
１）ＹＢＣＯのような超伝導導体材料を備えた帯状導体（或いは“１２３”−材料系の転 換されたＨＴＳ材料）を、移行領域Ｈと直線部分Ｇとを備えた図１に示す形状に応 じて、被覆済みの大きな物体から、切断加工する。
２）必要なら絶縁層で囲い込む。
３）Ｎ個の部分導体を、完全転位複合導体の形に結集し、その際、互いに隣の部分導体は 、周期的エッジ方向曲げ領域間隔Ｐだけ互いにずらす。
４）必要なら複合導体全体の被覆或いは外被を設ける。
１）ＹＢＣＯのような超伝導導体材料を備えた帯状導体（或いは“１２３”−材料系の転 換されたＨＴＳ材料）を、移行領域Ｈと直線部分Ｇとを備えた図１に示す形状に応 じて、被覆済みの大きな物体から、切断加工する。
２）必要なら絶縁層で囲い込む。
３）Ｎ個の部分導体を、完全転位複合導体の形に結集し、その際、互いに隣の部分導体は 、周期的エッジ方向曲げ領域間隔Ｐだけ互いにずらす。
４）必要なら複合導体全体の被覆或いは外被を設ける。
具体的実施例では、代表的な幾何学的大きさとして、次の値が選択できる。
部分導体幅Ｂ＝１ｍｍ〜１０ｍｍ、部分導体厚Ｄ＝０．０２ｍｍ〜０．５ｍｍそして部分導体当たりの電流ＩTL＝１０〜１０００Ａ（７７Ｋ、外部磁界なしにて）。
部分導体数Ｎは、Ｎ＝ＩGes／ＩTLで所望の総電流ＩGesに合わせて決定する。
部分導体幅Ｂ＝１ｍｍ〜１０ｍｍ、部分導体厚Ｄ＝０．０２ｍｍ〜０．５ｍｍそして部分導体当たりの電流ＩTL＝１０〜１０００Ａ（７７Ｋ、外部磁界なしにて）。
部分導体数Ｎは、Ｎ＝ＩGes／ＩTLで所望の総電流ＩGesに合わせて決定する。
２ 部分導体、３ 帯状担体、４ 超伝導導体材料
Claims (12)
- レーベルバー様式で構成され、高Ｔc超伝導材料を備えた複数の部分導体を有し、各部分導体が幅Ｂの少なくとも横断面ほぼ矩形をなし、製造中、その部分導体が、隣の部分導体の範囲への幅Ｂの平面内における横方向移行領域を備えた形状にされ、部分導体が互いに撚られる、少なくとも横断面が矩形の完全転位複合超伝導導体の製造方法において、
部分導体（２、２i）の成形工程を撚り工程から分離し、前記部分導体（２、２i）として、高Ｔc超伝導材料で被覆した帯状担体（３）を利用することを特徴とする方法。 - 成形工程を超伝導材料による被覆工程前に行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
- 成形工程が、帯状担体（３）に対する少なくとも１つの曲げ工程を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
- 成形工程が、帯状担体の半製品に対する少なくとも１つの切断工程を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
- 成形工程を、超伝導材料（４）で既に被覆した帯状担体の半製品に対する少なくとも１つの切断工程により行うことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
- 複合超伝導導体の横方向移行領域の電流流れ方向における寸法をＨとし、部分導体の幅をＢとしたとき、Ｂ＜Ｈ＜２０×Ｂの関係にあることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法で製造された複合超伝導導体。
- 部分導体（２、２i）として、合金鋼或いはＮｉ合金から成る帯状担体（３）が利用されたことを特徴とする請求項６記載の導体。
- 部分導体（２i）相互の接着又はろう付け、或いはテーピング又は編組により部分導体（２i）が固定されたことを特徴とする請求項６又は７記載の複合超伝導導体。
- テーピング又は編組が、含浸材又は冷却材に対し透過性又は吸引性を有することを特徴とする請求項８記載の複合超伝導導体。
- 少なくとも幾つかの部分導体（２i）が、電気的に互いに絶縁されたことを特徴とする請求項６から９の１つに記載の複合超伝導導体。
- 高Ｔc超伝導材料として、（ＲＥ）Ｍ2Ｃｕ3Ｏx系の材料が利用され、該成分ＲＥがイットリウムを必須として少なくとも１つの希土類元素、成分Ｍが少なくとも１つのアルカリ土金属であることを特徴とする請求項６から１０の１つに記載の複合超伝導導体。
- 超伝導材料がＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx系であることを特徴とする請求項１１記載の複合超伝導導体。
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