JP2001223399A - 高温超電導体素子 - Google Patents
高温超電導体素子Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/30—Devices switchable between superconducting and normal states
Landscapes
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温超電導体素子の冷却中に発生する熱機械
的応力を減少させる。 【解決手段】 超電導体(1)と電気的バイパス(2)の間に
ポリマー複合材ベースの電気伝導性の移行層(3)が設け
られた高温超電導体素子の冷却中に、移行層に熱機械的
応力が発生する。これを減少させ、クラックの形成を防
止するため、移行層(3)の熱膨張係数を小さくする。こ
れは、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、又はＡｌＮ等好適なフィラ
ー材料(32)をポリマー複合材料に添加することにより行
われる。
的応力を減少させる。 【解決手段】 超電導体(1)と電気的バイパス(2)の間に
ポリマー複合材ベースの電気伝導性の移行層(3)が設け
られた高温超電導体素子の冷却中に、移行層に熱機械的
応力が発生する。これを減少させ、クラックの形成を防
止するため、移行層(3)の熱膨張係数を小さくする。こ
れは、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、又はＡｌＮ等好適なフィラ
ー材料(32)をポリマー複合材料に添加することにより行
われる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温超電導体の分
野に関する。本発明は、請求項１の前提部に記載された
高温超電導体素子に関する。
野に関する。本発明は、請求項１の前提部に記載された
高温超電導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】EP-A 0 911 889は、電流リミッターで使
用する高温超電導体素子を開示する。この素子は、超電
導体層と、電気的バイパスとして設計された孔のあいた
鉄鋼プレートとを備え、この鉄鋼プレートは超電導体層
と共に複合伝導体を形成する。導電性エポキシ樹脂の手
段により、バイパスが超電導体上に接着接合される。こ
の導電性の移行即ち中間層は、超電導体とバイパスの間
の接触抵抗を改善するため設けられたものであり、この
中間層により電流が１つの層から他の層へ流れることが
出来る。
用する高温超電導体素子を開示する。この素子は、超電
導体層と、電気的バイパスとして設計された孔のあいた
鉄鋼プレートとを備え、この鉄鋼プレートは超電導体層
と共に複合伝導体を形成する。導電性エポキシ樹脂の手
段により、バイパスが超電導体上に接着接合される。こ
の導電性の移行即ち中間層は、超電導体とバイパスの間
の接触抵抗を改善するため設けられたものであり、この
中間層により電流が１つの層から他の層へ流れることが
出来る。
【０００３】移行層は、例えば、電気絶縁性のポリマー
樹脂ベース材料と電導性のフィラーを備える導電性ポリ
マー複合材料で出来ている。金属粉末、繊維、フレー
ク、金属化した小片即ち粒子等が、フィラーとして考え
られる。フィラーは、十分な体積割合で使用し、個々の
粒子又は繊維が相互に電気接触し、作成した複合材料が
導電性になる必要がある。
樹脂ベース材料と電導性のフィラーを備える導電性ポリ
マー複合材料で出来ている。金属粉末、繊維、フレー
ク、金属化した小片即ち粒子等が、フィラーとして考え
られる。フィラーは、十分な体積割合で使用し、個々の
粒子又は繊維が相互に電気接触し、作成した複合材料が
導電性になる必要がある。
【０００４】作動温度まで冷却するため、高温超電導体
は冷却媒体（好ましくは液体窒素ＬＮ2）と熱接触され
る。超電導体とバイパスの熱膨張係数と、ポリマー複合
材料の熱膨張係数が異なるので、この冷却中に応力が起
こる。特に、ポリマー複合材料層は、熱膨張係数が大き
いので、隣接する層から引張り応力を受け、収縮し、ク
ラックが生じる。
は冷却媒体（好ましくは液体窒素ＬＮ2）と熱接触され
る。超電導体とバイパスの熱膨張係数と、ポリマー複合
材料の熱膨張係数が異なるので、この冷却中に応力が起
こる。特に、ポリマー複合材料層は、熱膨張係数が大き
いので、隣接する層から引張り応力を受け、収縮し、ク
ラックが生じる。
【０００５】欧州特許EP-B 0 257 466は、金属層と、硬
化させたポリマーマトリックス複合材料層とのラミネー
トで、プリント回路基板に取付ける電子部品を冷却する
のに役立つものを開示する。粒子、繊維、又はファブリ
ックの形の低熱膨張係数の強化熱伝導材料が、複合材料
層に導入される。この強化層が、熱源（電子部品）とヒ
ートシンク（金属層）の間の熱伝導に役立ち、またプリ
ント回路基板と金属層の間の熱膨張係数を釣り合わせ
る。複合層は、電気的に非伝導性であり、動作中に熱く
なる部品が良く冷却されるように設計されている。
化させたポリマーマトリックス複合材料層とのラミネー
トで、プリント回路基板に取付ける電子部品を冷却する
のに役立つものを開示する。粒子、繊維、又はファブリ
ックの形の低熱膨張係数の強化熱伝導材料が、複合材料
層に導入される。この強化層が、熱源（電子部品）とヒ
ートシンク（金属層）の間の熱伝導に役立ち、またプリ
ント回路基板と金属層の間の熱膨張係数を釣り合わせ
る。複合層は、電気的に非伝導性であり、動作中に熱く
なる部品が良く冷却されるように設計されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、超電
導体と電気的バイパスの間に設けられる電気伝導性のポ
リマー複合材ベースの移行層に、作動温度まで冷却する
とき生じる熱機械的応力を減少し、初めに述べた種類の
高温超電導体素子の移行層にクラックが生じるのを防止
することである。この目的は、請求項１に記載した高温
超電導体素子により達成される。
導体と電気的バイパスの間に設けられる電気伝導性のポ
リマー複合材ベースの移行層に、作動温度まで冷却する
とき生じる熱機械的応力を減少し、初めに述べた種類の
高温超電導体素子の移行層にクラックが生じるのを防止
することである。この目的は、請求項１に記載した高温
超電導体素子により達成される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１は、高温超電導
体(1)と、電気伝導性の移行層(3)を通って前記高温超電
導体(1)に電気的接触する電気的バイパス(2)とを有する
高温超電導体素子において、前記移行層(3)は、ポリマ
ーマトリックス(30)と、導電性の第１フィラー材料(31)
とを有するポリマー複合材料からなり、前記移行層(3)
の熱膨張係数を減少させるため、第１フィラー材料(31)
とは異なる手段(32)を備える素子である。本発明の本質
は、好適な手段を使用して、移行層の熱膨張係数を減少
させることである。その結果、前記熱膨張係数は、超電
導体及び電気的バイパスの熱膨張係数と近くなり、素子
の冷却中に移行層に生じる引張り応力は減少する。
体(1)と、電気伝導性の移行層(3)を通って前記高温超電
導体(1)に電気的接触する電気的バイパス(2)とを有する
高温超電導体素子において、前記移行層(3)は、ポリマ
ーマトリックス(30)と、導電性の第１フィラー材料(31)
とを有するポリマー複合材料からなり、前記移行層(3)
の熱膨張係数を減少させるため、第１フィラー材料(31)
とは異なる手段(32)を備える素子である。本発明の本質
は、好適な手段を使用して、移行層の熱膨張係数を減少
させることである。その結果、前記熱膨張係数は、超電
導体及び電気的バイパスの熱膨張係数と近くなり、素子
の冷却中に移行層に生じる引張り応力は減少する。
【０００８】第１の好適な実施例では、伝導性のポリマ
ー複合材料に、第２の電気非伝導性のフィラーが混入さ
れる。このフィラーの熱膨張係数は、ポリマーマトリッ
クスの熱膨張係数より小さいのが好ましい。第２の実施
例によれば、機械的安定性を改善するため、ポリマー複
合材料に追加として繊維が添加される。
ー複合材料に、第２の電気非伝導性のフィラーが混入さ
れる。このフィラーの熱膨張係数は、ポリマーマトリッ
クスの熱膨張係数より小さいのが好ましい。第２の実施
例によれば、機械的安定性を改善するため、ポリマー複
合材料に追加として繊維が添加される。
【０００９】別の有利な実施例は、従属する請求項から
明らかである。
明らかである。
【００１０】
【発明の実施の形態及び実施例】次に、説明のための実
施例により、添付の図面を参照して、本発明をより詳し
く説明する。
施例により、添付の図面を参照して、本発明をより詳し
く説明する。
【００１１】図１は、本発明により改変されたポリマー
複合移行層を有する高温超電導体素子を示す。図面に使
用する参照番号は、図面の簡単な説明の符号の説明によ
る。
複合移行層を有する高温超電導体素子を示す。図面に使
用する参照番号は、図面の簡単な説明の符号の説明によ
る。
【００１２】図１は、超電導電流リミッター等に使用さ
れる高温超電導体素子の詳細な断面図である。高温超電
導体1が、電気的バイパス層2の表面上に面で接続され、
バイパス層と共に複合伝導体を形成する。高温超電導体
1と電気的バイパス層2の間に、ポリマー複合材ベースの
移行層3がある。移行層3は、ポリマーマトリックス30
と、導電性の第１フィラー（充填）材料31と、非導電性
の第２フィラー材料32とを備える。
れる高温超電導体素子の詳細な断面図である。高温超電
導体1が、電気的バイパス層2の表面上に面で接続され、
バイパス層と共に複合伝導体を形成する。高温超電導体
1と電気的バイパス層2の間に、ポリマー複合材ベースの
移行層3がある。移行層3は、ポリマーマトリックス30
と、導電性の第１フィラー（充填）材料31と、非導電性
の第２フィラー材料32とを備える。
【００１３】図面に示し次に記載する移行層の説明は、
平らな外形についてである。例えば、超電導体１の第１
バイパス層2と反対側の面に、追加の第２バイパス層を
対称に設けることも出来る。超電導性コアが電気的バイ
パスに囲まれたケーブル又はワイヤーの場合も同様に使
用することが出来る。この場合の軸対称の配置の場合
と、前述した対称面を有する平らな構成の場合、軸又は
対称面に平行な方向には、熱に誘起された長さ変化によ
って、素子にバイメタル状の歪みは起こらない。
平らな外形についてである。例えば、超電導体１の第１
バイパス層2と反対側の面に、追加の第２バイパス層を
対称に設けることも出来る。超電導性コアが電気的バイ
パスに囲まれたケーブル又はワイヤーの場合も同様に使
用することが出来る。この場合の軸対称の配置の場合
と、前述した対称面を有する平らな構成の場合、軸又は
対称面に平行な方向には、熱に誘起された長さ変化によ
って、素子にバイメタル状の歪みは起こらない。
【００１４】移行層3は、マトリックス30と少なくとも
１つの導電性フィラー材料31を有するポリマー複合材料
からなる。マトリックスは、３次元的に架橋した熱硬化
性材料が好ましく、例えばエポキシ、シリコン、又はポ
リエステル樹脂等をベースとしたものである。このよう
なポリマーマトリックス30の熱膨張係数は、60〜100×1
0-6／Ｋの範囲であり、セラミックの超電導体1の熱膨張
係数は、典型的には約10×10-6／Ｋであり、鉄鋼のバイ
パス2は約15×10-6／Ｋである。素子を室温又はポリマ
ーマトリックス30の硬化温度から作動温度（77Ｋ）に冷
却する間に、ポリマー複合材は隣接する層より大幅に収
縮する。実際の長さ変化は、素子の全ての層で同じなの
で、応力がかかり、特に多数の熱サイクルを行う場合、
即ち加熱冷却を繰り返すと、移行層3にクラックが生じ
る。
１つの導電性フィラー材料31を有するポリマー複合材料
からなる。マトリックスは、３次元的に架橋した熱硬化
性材料が好ましく、例えばエポキシ、シリコン、又はポ
リエステル樹脂等をベースとしたものである。このよう
なポリマーマトリックス30の熱膨張係数は、60〜100×1
0-6／Ｋの範囲であり、セラミックの超電導体1の熱膨張
係数は、典型的には約10×10-6／Ｋであり、鉄鋼のバイ
パス2は約15×10-6／Ｋである。素子を室温又はポリマ
ーマトリックス30の硬化温度から作動温度（77Ｋ）に冷
却する間に、ポリマー複合材は隣接する層より大幅に収
縮する。実際の長さ変化は、素子の全ての層で同じなの
で、応力がかかり、特に多数の熱サイクルを行う場合、
即ち加熱冷却を繰り返すと、移行層3にクラックが生じ
る。
【００１５】この応力を減少させるため、本発明では、
移行層3の熱膨張係数を鉄鋼のバイパス3の熱膨張係数の
２〜３倍の値まで小さくする。
移行層3の熱膨張係数を鉄鋼のバイパス3の熱膨張係数の
２〜３倍の値まで小さくする。
【００１６】導電性フィラー31は、例えば銀粒子からな
り、それ自体の熱膨張係数は小さい。導電性フィラー内
のフィラーの密度、即ち体積当たりの銀粒子の数が増加
すると、ポリマー複合材の熱膨張係数が小さくなる。コ
スト上の理由と、移行層3の電気的特性に影響を与えな
いようにするため、第２の非導電性フィラー32を添加す
ることが出来る。これは、熱膨張係数が小さい（好まし
くは10×10-6／Ｋより小さい）直径1〜100μｍの小さい
粒子又は繊維からなる。水晶（ＳｉＯ2）、アルミナ
（Ａｌ2Ｏ3）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が考
えられる。この後の2つは、熱伝導性と蓄熱性でも優れ
ている。
り、それ自体の熱膨張係数は小さい。導電性フィラー内
のフィラーの密度、即ち体積当たりの銀粒子の数が増加
すると、ポリマー複合材の熱膨張係数が小さくなる。コ
スト上の理由と、移行層3の電気的特性に影響を与えな
いようにするため、第２の非導電性フィラー32を添加す
ることが出来る。これは、熱膨張係数が小さい（好まし
くは10×10-6／Ｋより小さい）直径1〜100μｍの小さい
粒子又は繊維からなる。水晶（ＳｉＯ2）、アルミナ
（Ａｌ2Ｏ3）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が考
えられる。この後の2つは、熱伝導性と蓄熱性でも優れ
ている。
【００１７】繊維複合層と同様に、強化キャリヤー材料
として、ガラス、炭素、アラミド繊維を添加することに
より、この種類のポリマー複合材ベースの移行層の機械
的特性を改善することが出来る。例えば、このように改
変された層は、曲げ力に対してより強く、複合材伝導体
の機械的に安定させるのに役立つ。
として、ガラス、炭素、アラミド繊維を添加することに
より、この種類のポリマー複合材ベースの移行層の機械
的特性を改善することが出来る。例えば、このように改
変された層は、曲げ力に対してより強く、複合材伝導体
の機械的に安定させるのに役立つ。
【００１８】本発明によるポリマー複合材は、銀粉末を
約10〜40体積％と、ほぼ同じ量の非導電性の第２フィラ
ーとをエポキシ樹脂に混合することにより、作成され
る。次に、複合伝導体の第１層（高温超電導体）に、ポ
リマー複合材が大きい面積で均一に塗布される。次に、
移行層となる層を複合伝導体の第２層（バイパス層）
と、合わせて、真空中で硬化させるる。粘性の層を制御
された厚さで塗布するのに適した方法は、スクリーン印
刷法、又はスプレー塗布法（溶剤使用）である。
約10〜40体積％と、ほぼ同じ量の非導電性の第２フィラ
ーとをエポキシ樹脂に混合することにより、作成され
る。次に、複合伝導体の第１層（高温超電導体）に、ポ
リマー複合材が大きい面積で均一に塗布される。次に、
移行層となる層を複合伝導体の第２層（バイパス層）
と、合わせて、真空中で硬化させるる。粘性の層を制御
された厚さで塗布するのに適した方法は、スクリーン印
刷法、又はスプレー塗布法（溶剤使用）である。
【図１】本発明により改変されたポリマー複合移行層を
有する高温超電導体素子を示す図である。
有する高温超電導体素子を示す図である。
1 超電導体 2 電気的バイパス 3 移行層、ポリマー複合材料 30 ポリマーマトリックス 31 第１フィラー材料、例えば銀粒子 32 第２フィラー材料
Claims (6)
- 【請求項１】 高温超電導体(1)と、電気伝導性の移行
層(3)を通って前記高温超電導体(1)に電気的接触する電
気的バイパス(2)とを有する高温超電導体素子におい
て、前記移行層(3)は、ポリマーマトリックス(30)と、
導電性の第１フィラー材料(31)とを有するポリマー複合
材料からなり、前記移行層(3)の熱膨張係数を減少させ
るため、第１フィラー材料(31)とは異なる手段(32)を備
えることを特徴とする素子。 - 【請求項２】 前記手段は、前記ポリマー複合材料と混
合された非導電性の第２フィラー材料(32)である請求項
１に記載した素子。 - 【請求項３】 前記第２フィラー材料(32)の熱膨張係数
は、前記ポリマーマトリックス(30)の熱膨張係数より小
さい請求項１に記載した素子。 - 【請求項４】 前記ポリマーマトリックス(30)は、エポ
キシ樹脂であり、前記第２フィラー材料(32)は、水晶
（ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、又は窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）からなる請求項１に記載した素子。 - 【請求項５】 前記ポリマー複合材料の熱膨張係数は、
前記電気的バイパス(2)の熱膨張係数の３倍より小さい
請求項２に記載した素子。 - 【請求項６】 前記ポリマー複合材料は、機械的強化の
ための繊維を備える請求項１乃至５の何れか１項に記載
した素子。
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