JP2013503422A - マルチフィラメント導体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

帯状基板（２）と少なくとも１つの超電導層（３）とを有するマルチフィラメント導体（１）であって、少なくとも１つの超電導層（３）が帯状基板（２）の少なくとも一方の表面に形成されて複数のフィラメント（２０，２０’）に分割されており、帯状基板（２）がそれの長手方向の延びに平行に第１方向（２１）を有し、少なくとも１つのフィラメント（２０，２０’）がそれの長手方向の延びに平行に第２方向（２２）を有するマルチフィラメント導体（１）において、帯状基板（２）の第１方向（２１）と少なくとも１つのフィラメント（２０，２０’）の第２方向（２２）とが零よりも大きい角度をなしていることを特徴とするマルチフィラメント導体（１）。
【選択図】図３

Description

本発明は、帯状基板と少なくとも１つの超電導層とを有するマルチフィラメント導体に関する。この少なくとも１つの超電導層が、帯状基板の少なくとも１つの表面に形成され、複数のフィラメントに分割されている。帯状基板がそれの長手方向の延びに平行に第１方向を有し、少なくとも１つのフィラメントがそれの長手方向の延びに平行に第２方向を有する。更に本発明はこのようなマルチフィラメント導体の製造方法に関する。

超電導層を有するマルチフィラメント導体は、とりわけ超電導装置における導体として使用される。それらの導体は、例えば磁気スピン断層撮影装置の超電導巻線、電動機、発電機、又は電流制限装置に使用することができる。例えばＹ₂ＢａＣｕ₃Ｏ₇（ＹＢＣＯ）のような高温超電導（ＨＴＳ）材料を使用する場合、導体は液体窒素の温度において既に超電導特性に達する。こうして、信頼性のある低コストの超電導装置を実現することができる。

産業用の第２世代（２Ｇ）のＨＴＳ導体は、電流担持層として金属の帯状支持体の上に形成された単結晶のＨＴＳ薄膜、特にセラミックＹＢＣＯからなるＨＴＳ薄膜を有する。その支持体の上に単結晶のＨＴＳ薄膜を形成するために、その支持体がテクスチャ化された多層緩衝層で覆われ、その多層緩衝層の上にＨＴＳ層が、例えば蒸着、レーザ蒸着又は化学分解のような堆積法よって形成される。

ＨＴＳ層の上には付加的に常電導の保護層もしくは安定化層が形成され、この層は、ＨＴＳ層内における欠陥個所および常電導化した短い区間を橋絡することができ、ＨＴＳ層を機械的損傷から保護する。常電導層は一般に銀および／又は銅からなる。緩衝層、ＨＴＳ層および安定化層からなる積層体がその上に形成された帯状支持体は、一般に数ミリメータ又は数センチメータの範囲内の幅を有する。

交流用途では、しばしば帯状支持体に対して垂直方向の時間的に変化する磁界成分が発生する。それによって、ＨＴＳ層内に、そして僅かではあるが安定化層にも、輸送電流に重畳する循環遮蔽電流が誘導される。これらの遮蔽電流は熱の形で放出される電気損失をもたらし、冷却装置によってＨＴＳ導体から排出されなければならない。それによって、古典的な抵抗性の導体に比べてＨＴＳ導体の使用により達成されるエネルギ節約による経済的な利点が縮小され、又は完全になくなる。

単位長当たりの電力損失Ｐ_h／Ｌは、交番磁界振幅ΔＢと、周波数ｆと、臨界電流Ｉ_Cと、磁界に対して垂直方向の有効導体幅ｄ_fとに比例する。
Ｐ_h／Ｌ ＝ ｆ×ΔＢ×Ｉ_C×ｄ_f

ＮｂＴｉ超電導体およびＮｂ₃Ｓｎ超電導体においては、その横断面が、例えば銅である金属母材の中に埋め込まれた小さなｄ_fを有する多数の薄いフィラメントに分割されることによって上記の損失が低減される。しかし、この措置は導体が捩じられるか、もしくは撚られる場合にのみ有効である。

この原理のＨＴＳ導体への転用がレーベル導体によってもたらされた。多数の平行なＨＴＳ被覆された帯状支持体から構成されているこの種のレーベル導体が特許文献１から公知である。ＨＴＳ導体のこの構成における損失は個別の帯の幅によって決定される。損失を更に最小限にするために、超電導層と銅からなる安定化層とを、帯状支持体の長手方向に平行な縦溝によって複数のフィラメントに分割することが、例えば特許文献２から公知である。その支持体にまで到達する縦溝を形成する方法は、機械的加工、化学的エッチング、レーザ加工、フォトレジスト法および局部的破壊結晶配列法を含む。それによって、１つの支持体上の１つのフィラメントが、支持体の長手方向軸線に平行に延びる多数の個別フィラメントに分割される。有効導体幅ｄ_fは、１つのフィラメントとして超電導被覆された支持体の幅ではなく、支持体上における個別フィラメントの幅となる。

短い導体試料においては損失の低減が検証可能であるが、長い導体路、例えば超電導巻線においてはフィラメント間の磁気結合がなくならず、例えばコイルに存在する外部の交番磁界が依然として大きな遮蔽電流を誘導する。これらの遮蔽電流は超電導材料の臨界電流密度を上回ることがあり、それによって超電導導体が抵抗領域に移行する。再び熱の形で放出されなければならない大きな電気損失が発生する。

国際公開第０３／１００８７５号パンフレット 米国特許出願公開第２００７／０１９１２０２号明細書

従って、本発明の課題は、従来技術からの公知のマルチフィラメント導体に比べて電気損失を更に減少させたマルチフィラメント導体を提供することにある。特に、本発明によるマルチフィラメント導体の課題は、外部の交番磁界内でのマルチフィラメント導体中の電流誘導を最小限に抑えることにある。本発明の他の課題は、外部の交番磁界内でのマルチフィラメント導体中の電流誘導を最小限に抑えることによって最小の電気損失を有するマルチフィラメント導体を製造するための方法を提供することにある。

この課題は、マルチフィラメント導体に関しては請求項１の特徴により解決され、マルチフィラメント導体の製造方法に関しては請求項１１により解決される。

本発明によるマルチフィラメント導体およびマルチフィラメント導体の製造方法の有利な実施形態はそれぞれに対応した従属項で明らかにされている。その際に、独立請求項の特徴は、それぞれに対応した従属項の特徴、又は複数の対応した従属項の特徴と組み合わせることができる。

本発明によるマルチフィラメント導体は帯状基板と少なくとも１つの超電導層とを有する。少なくとも１つの超電導層は帯状基板の少なくとも１つの表面に形成されていて、複数のフィラメントに分割されている。帯状基板はそれの長手方向の延びに平行に第１方向を有し、少なくとも１つのフィラメントはそれの長手方向の延びに平行に第２方向を有する。帯状基板の第１方向と少なくとも１つのフィラメントの第２方向とは零よりも大きい角度をなしている。

それによって、複数の導体が重ねて巻かれている例えばコイルにマルチフィラメント導体を使用する場合に、交番磁界用途における損失ならびに産業用超電導導体中の局部的な欠陥個所の影響を効果的に低減することができる。特に２本巻きコイルにおいては、損失の著しい低減が達成される。マルチフィラメント導体に対する垂直方向の交番磁界振幅ΔＢによる損失Ｐ_hは、導体幅ではなくて個別フィラメントの幅に依存する。ヒステリシス損失の割合は係数ｄ_f／ｂだけ減少する。高い磁界精度が要求される磁石用途、例えば核スピン断層撮影装置、核共鳴スペクトロメータおよび加速装置においては、フィラメント幅に限定される比較的小さい遮蔽電流によって発生させられる、実効体積中の磁界欠陥が著しく低減される。

帯状基板の第１方向と少なくとも１つのフィラメントの第２方向との間の角度が、３０度と６０度との間に、特に４５度であるのが格別に有利である。少なくとも１つのフィラメントが、特に第１方向に平行な長手方向成分なしに、完全に第２方向に沿って形成されているとよい。第１方向に沿った長手方向成分は、例えば２本の線により巻回されるコイルのような用途において損失を高める。

帯状基板が、第１表面を前面に、それに対向する第２表面を裏面に有し、第１表面にも第２表面にも複数のフィラメントが形成されているとよい。第１表面の複数のフィラメントが、第２表面の複数のフィラメントの長手方向に平行な第３方向に等しくない、第２方向を有するのがよい。それによって、２本の線により巻回されるコイルにおけると同様の損失低減効果が、この導体において達成される。

特に転位された導体構成の場合には損失の少ない通電が達成される。更に、前面の少なくとも１つのフィラメントと、裏面の少なくとも１つのフィラメントとが、特に帯状基板の１つ又は２つの側面における少なくとも１つの第３表面に形成された少なくとも１つの層を介して、導電接続されているとよい。転位長が２０ｃｍの範囲内にあるとよい。

１つの表面における少なくとも２つの隣接するフィラメント間に少なくとも１つの電気的なブリッジが形成されているならば、超電導層内の欠陥個所の橋絡を格別に効果的に行なうことができ、従って損失を更に低減することができる。１つ又は複数のブリッジによって、少なくとも２つの隣接するフィラメントの１つ又は複数の電気接続部が形成されている。少なくとも１つの電気的なブリッジが一方の表面の中央に配置されていて、特にブリッジの長手方向が帯状基板の第１方向に平行であるとよい。局部的に電流容量の低下した欠陥のある１つのフィラメントが、ブリッジおよび隣接するフィラメントを介して電気的に橋絡される。

マルチフィラメント導体が、帯状支持体材料、少なくとも１つの緩衝層、少なくとも１つの超電導層、特に高温超電導（ＨＴＳ）層、および／又は少なくとも１つの安定層からなる積層体を有するとよい。緩衝層は、支持体材料上においてエピタキシャル成長させられた単結晶の超電導層を可能にする。ＨＴＳ層は、液体窒素領域の温度においても超電導特性を有するマルチフィラメント導体の使用を可能にする。安定化層は、超電導層を機械的損傷から保護すると共に、超電導層内の局部的な電流容量低下個所を電気的に橋絡し、即ち超電導層を安定化しかつ機械的および電気的に保護する。

支持体材料が金属、特に鋼からなるとよい。少なくとも１つの緩衝層が、ＡＬ、イットリア、ＩＢＡＤ−ＭｇＯ、Ｈｏｍｏ−ｅｐｉ−ＭｇＯ、ＬＭＯからなるグループからの少なくとも１つの材料、又はこれらの材料からの組み合わせもしくは合金、又はこれらの材料からなる積層体を含むとよい。少なくとも１つの超電導層がＹＢＣＯからなるとよい。少なくとも１つのブリッジが、同様にＹＢＣＯ、特に少なくとも１つのＨＴＳ層のＹＢＣＯからなるとよい。これはブリッジを介しても損失の少ない電気伝導を可能にする。少なくとも１つの安定化層が、銅又は銀からなるか、又は少なくとも１つの銅層および／又は少なくとも１つの銀層を有する積層体を含むとよい。少なくとも１つのブリッジが、少なくとも１つの安定化層の材料からなるか又はこれを含んでもよく、これはブリッジの簡単な製造を可能にする。

支持体材料が５０〜１００μｍの範囲の厚さと１０ｍｍの範囲の幅とを有するとよい。少なくとも１つの緩衝層が１００ｎｍの範囲の厚さを有するとよい。少なくとも１つの超電導層が１μｍの範囲の厚さを有し、少なくとも１つのフィラメントが０．５ｍｍの範囲の幅を有するとよい。少なくとも１つの安定化層が３μｍ〜３００μｍの範囲の厚さを有するとよい。これらはマルチフィラメント導体の多くの用途にとって都合のよい大きさである。

上述のマルチフィラメント導体を製造するための本発明による方法は次のステップを有する。
互いに向かい合っている面を有する２つの帯状支持体材料が機械的に結合され、
各１つの帯状支持体材料における機械的に結合された前記面とは反対側の面に少なくとも１つの超電導層が形成され、
その超電導層の上に安定化層が形成され、
第１の帯状支持体材料の安定化層と、第２の帯状支持体材料の安定化層とが、２つの帯状支持体材料の両側の縁部において、該縁部を介して両安定化層の電気接続が行なわれるように重ね合わされて形成され、そして、
複数の超電導層および複数の安定化層がフィラメントに分割される。

２つの帯状支持体が完全に一致するように互いに結合されるとよい。この方法によって少ないステップでマルチフィラメント導体の簡単で低コストの製造が可能となる。

これらの層の形成が、電気分解、ろう付け、蒸着、スパッタリング、および／又は気相中での金属化合物の熱分解によって行なわれるとよい。複数のフィラメントへの超電導層および安定化層の分割が、機械的に、又はレーザおよび／又はエッチング、特に乾式又は湿式の化学エッチングによって、それぞれの層の端から端まで複数の溝により行なわれるとよい。特にエッチング法においてはフォトリソグラフィが使用されるとよい。代わりに、これらの層の形成は、まだ被覆されていない基板帯の溝位置への印刷又は貼り付けによって行なってもよい。後続の超電導層および安定化層の堆積工程の際に、ここには材料が付着せず、従って所望のフィラメント構造が形成される。

これらの溝は、帯状基板の第１方向と少なくとも１つのフィラメントの第２方向との間の零に等しくない角度で形成されるとよい。複数の螺旋状の電流路が生じるように、複数のフィラメントが２つの帯状支持体材料上においてそれらの縁部を跨いで導電接続されるとよい。

二重層状の基板の２つの帯状支持体材料が耐熱性で絶縁性の中間層又は間隙によって互いに分離されるとよい。これは、特に２つの帯状支持体材料の溶接によって、１つの帯状支持体材料が折り曲げられて２つの重なり合った帯に形成されることによって、又は、特に帯状支持体材が、テクスチャ化される圧延工程の前に、１つの管が平らに圧潰されることによって行なわれるとよい。

マルチフィラメント導体を製造するための本発明による方法に対しても、本発明によるマルチフィラメント導体に関する既述の利点がもたらされる。

以下において、従属請求項の特徴による有利な発展的構成を有する本発明の好ましい実施形態を、次の図に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

従来技術に基づく基板軸線に平行な複数のフィラメントを有するマルチフィラメント導体の斜視図である。 従来技術に基づくマルチフィラメント導体の１つのフィラメントの層構造の斜視図である。 基板の前面および裏面に基板周囲に斜めに螺旋状に延在するように形成された複数のフィラメントを有する本発明によるマルチフィラメント導体の斜視図である。 図３に示されたマルチフィラメント導体に類似した、ただし隣接するフィラメント同士の間にブリッジ部が形成されているマルチフィラメント導体の斜視図である。 前面における（実線で境界を示した）フィラメントと裏面における（破線で境界を示した）フィラメントとを有する図３に示されたマルチフィラメント導体の平面図である。 直接的に結合された２つの支持体を有する図３に示されたマルチフィラメント導体の断面図である。 圧潰された管を基板として有する図３に示されたマルチフィラメント導体の断面図である。 開放側の側面に溶接部を有する、基板として折り畳まれた部分からなる図３に示されたマルチフィラメント導体の断面図である。

図１は、従来技術に基づくマルチフィラメント導体１の長手方向軸線に垂直な断面を、マルチフィラメント導体１の前方からの斜視図で示す。マルチフィラメント導体１は、前面９および裏面１０を備えた帯状基板２を有する。帯状基板２の第１方向２１は帯状基板２の長手方向として定義されている。第１方向２１に平行に、帯状基板２の前面２１に細長い形をした互いに平行な緩衝層４の複数のストリップが形成されている。緩衝層４の複数のストリップは互いに隔てられていて第２方向２２を有する。この第２方向２２は緩衝層４のストリップの長手方向に相当する。緩衝層４のストリップの上には、例えばＹＢＣＯ材料からなる超電導層３が形成されている。超電導層３の上には、薄い銀層（Ａｇ層）５ａおよび銅層（Ｃｕ層）５ｂが保護もしくは安定化層５として形成されている。それぞれ緩衝層４と超電導層３と安定化層５とからなる複数の積層体もしくは複数のフィラメント２０の間には、フィラメント２０同士を分離するための複数の溝６が形成されている。

マルチフィラメント導体１に時間的に変化する外部磁界（Ｂ）８が作用する場合には、安定化層５および／又は超電導層３に電流Ｉが誘導される。これらの誘導電流Ｉは、半数のフィラメント２０において一方の電流方向７で流れ、残りの半数のフィラメント２０においてそれと反対の電流方向７’で流れる。これらの電流Ｉは一般にフィラメント２０の臨界電流を上回り、超電導導体を抵抗状態に追い込み、その際に著しい抵抗損失が生じる。電流Ｉは、図１による捩じられていない導体において、全体帯幅ｂが大きくなると直線的に上昇し、幅ｄ_fのフィラメント２０への分割は何の作用も発揮しない。

図２には従来技術による１つのフィラメント２０の層構造が詳細に示されている。基板２の前面９には薄いアルミニウム（Ａｌ）層１１がストリップとして形成されており、図２においては、そのストリップに沿った断面表示の斜視図を見ることができる。Ａｌ層１１の上にはイットリア層１２がある。その上にＩＢＡＤ−酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層１３およびエピタキシャルＨｏｍｏ−ｅｐｉ−ＭｇＯ層１４が堆積されている。エピタキシャルＨｏｍｏ−ｅｐｉ−ＭｇＯ層１４の上にはエピタキシャルＬＭＯ層１５が形成されている。これらの層１１〜１５は一緒に緩衝層４を構成し、基板２に対する電気絶縁作用をする。これらは単結晶配列された基盤として役立ち、基板２上の緩衝層３の上方に、例えばＹＢＣＯからなる超電導層３の単結晶の成長をもたらす。

超電導層３上には銀（Ａｇ）層５ａおよび銅（Ｃｕ）層５ｂが形成されている。これらの両層は安定化層５を構成し、この安定化層は超電導層３を機械的損傷から保護しかつ単結晶の超電導材料内の欠陥個所を電気的に橋絡する。

基板２の裏面１０には他のＣｕ層が第２の安定化層５’として形成されているとよい。

図１および図２におけるマルチフィラメント導体１の基板２はハステロイ（登録商標）又は鋼からなり、５０μｍの厚さおよび１０ｍｍの幅を有する。図２に示されたフィラメント２０は、１００ｎｍの厚さの緩衝層３を有し、０．５ｍｍの幅を持つ。超電導層３は１μｍの厚さであり、基板２の前面９における安定化層５は２３μｍの厚さに形成されており、２０μｍの厚さのＣｕ層を有する。基板２の裏面１０における安定化層５’は２０μｍの厚さである。

図３には本発明によるマルチフィラメント導体１が上方からの斜視図で示されている。マルチフィラメント導体１の基板２はハステロイ（登録商標）又は鋼からなり、５０μｍの厚さおよび１０ｍｍの幅を有する。この実施例においては、複数のフィラメント２０，２０’が、フィラメント２０の長手方向である第２方向２２をもって基板２上に配置されており、その第２方向２２と基板２の長手方向である第１方向２１とが零に等しくない角度をなしている。これらの超電導フィラメント２０，２１’は、それぞれ第１支持体１６および第２支持体１７の一方の表面上に配置されている。２つの支持体１６および１７は、フィラメント２０，２０’を備えた表面の反対側にある裏面において、機械的には互いに結合されているが、電気的には中間層２９によって実質的に分離されている。接触し合っている裏面は以下において機械的結合面１８と呼ぶ。２つの支持体１６，１７および中間層２９は、一緒に本発明によるマルチフィラメント導体１の帯状基板２を構成する。

基板２の一方の表面における複数のフィラメント２０，２０’間にはそれぞれ複数の溝６が連続的に形成されているので、２つの隣接するフィラメント２０，２０’の超電導層３はそれぞれ電気的に互いに分離されている。第１支持体１６上のこれらのフィラメント２０はそれぞれ、支持体１６の縁部１９におけるフィラメント２０が支持体１６，１７の縁部１９において第２支持体１７のフィラメント２０’とピッタリ重なり合うように配置されている。支持体１６および１７上に安定化層が堆積もしくは形成される際に、縁部１９に安定化層５の材料が同時に堆積される。それによってこの材料を介して支持体１６のフィラメント２０が支持体１７のフィラメント２０’と電気的に結合される。溝６の形成時に、これらの溝が同様に縁部１９における安定化層５の材料を完全に貫通して形成されるので、縁部１９において重なり合っているフィラメント２０および２０’のみが互いに電気的に接続されている。

各層の厚さならびに基板２およびフィラメント２０，２０’の幅は、図１および図２のマルチフィラメント導体１に関する前述の厚さおよび幅と等しい。

前面９におけるフィラメント２０の角度は、裏面１０におけるフィラメント２０’の角度の逆符号の値を有する。この角度値は１〜５度もしくは−１〜−５度の範囲にある。前面９および裏面１０には、帯状基板２の両側の縁部１９において終端する限定された長さｂを有する複数の超電導フィラメント２０，２０’が形成されている。超電導フィラメント２０，２０’上に、常電導材料、例えば銅からなる安定化層５，５’が形成されている。この安定化層５，５’は、フィラメント２０，２０’の超電導層３と電気的に接続されており、超電導導体の欠陥のある常電導個所で電流の橋渡しをすることができる。帯状基板２の複数の縁部１９には、前面９および裏面１０のフィラメント２０，２０’が常電導層を介して電気的に接続されるように、安定化層５，５’が形成されている。

それによって、帯状基板２の周りには１つ又は複数の螺旋状の平行な電流路が発生し、該電流路は帯状基板２の縁部１９における短い常電導領域まで超電導状態にある。従って、本発明により、古典的な超電導導体技術から公知の「ツイスト」を捩じられた平行超電導フィラメント形式で有する、交番磁界用途において損失の少ない薄膜超電導導体がもたらされる。

図４には本発明によるマルチフィラメント導体１の代替実施例が示されている。このマルチフィラメント導体１は、隣接するフィラメント２０，２０’の間にブリッジ２３が付加的に形成されていることを除けば、図３に示されたマルチフィラメント導体１と類似する。ブリッジ２３は、層構造からは図１乃至３のフィラメント２０，２０’に等しく構成されているか、又は安定化層５のみから、又は安定化層５および超電導層３のみから構成されている。ブリッジ２３は電気伝導性に形成されていて、フィラメント２０，２０’の超電導層３内の欠陥個所を隣接するフィラメント２０，２０’の超電導層３を介して橋絡することができる。図４においてブリッジ２３は、渡り部分として、基板２の表面の中央にその基板の第１方向に沿って配置されている。しかしその代替としてブリッジ２３は、縁部１９又はその近くに配置されていてもよい。ブリッジ２３は、連続的な渡り部分としてではなくて、その都度２つの隣接するフィラメント２０，２０’間の表面に交互に又は不規則に配置されていてもよい。図４に示された実施例において、ブリッジ２３の幅ａは基板２の一方の面における１つのフィラメントの長さｂの１／２０の範囲内にある。材料および必要な電流容量に応じてブリッジ２３の幅を他の値にすることもできる。

マルチフィラメント導体１において、１つのフィラメント２０もしくは２０’における局部的な欠陥個所が電流容量を低下させる確率は、長さの増加および幅の減少にともなって上昇する。従って、比較的長いマルチフィラメント導体１を有する巻線においては、互いに絶縁されたフィラメント２０もしくは２０’を有するマルチフィラメント導体１の全体の電流容量は著しく損なわれる。フィラメント２０もしくは２０’間のブリッジ２３の配置によって、欠陥のあるフィラメント２０もしくは２０’から隣のフィラメント２０もしくは２０’への電流の再配分を行なうことができる。フィラメント２０もしくは２０’に沿って欠陥個所間の平均距離が転位長Ｌよりもかなり長い場合には、全電流は十分に健全な電流路を獲得し、全電流の臨界値は、長いマルチフィラメント導体１においても、僅かしか低下しない。

図５には図３に示された実施形態に相当するマルチフィラメント導体１の平面図が示されている。第１支持体１６上のフィラメント２０（図５におけるフィラメント２０の幅の境界として実線）の第２方向２２が、第２支持体１７上のフィラメント２０’（図５におけるフィラメント２０’の幅の境界としての破線）の長手方向の延びの第３方向２６に対して、或る角度で配置されていることがはっきり分る。従って、支持体１６上のフィラメント２０および支持体上のフィラメント２０’は或る角度をなしている。この角度はほんの僅かな角度範囲にある。しかし、例えば図５に示されているように、別の角度も考えられ得る。

縁部１９における電気接続により、第１支持体１６上の複数のフィラメント２０および第２支持体１７上の複数のフィラメント２０’は、１つの捩じられたもしくは転位された１つのマルチフィラメント導体１を形成する。これらのフィラメント２０，２０’は導体を螺旋状に取り巻く。マルチフィラメント導体１に対して垂直な交番磁界振幅ΔＢによる損失Ｐ_hにとって、フィラメント２０，２０’なしの導体の場合には導体幅ｂが決定的であるが、フィラメント２０，２０’がある場合には個別フィラメント２０，２０’の幅ｄ_fが決定的な影響を与える。ヒステリシス損失の成分は係数ｄ_f／ｂだけ減少する。緩衝層４が支持体１６，１７に対して十分に絶縁されているならば、フィラメント２０，２０’の転位によって、フィラメント２０，２０’間に誘導される遮蔽電流による損失もより小さくなり、又は零に等しい。２つの任意の平行なフィラメント２０又は２０’間の平面を通る磁束は積算されて転位長Ｌに応じた一回転後にその都度零になる。従って、その間において誘起される電圧は、そしてそれに伴う損失を発生する渦電流は、マルチフィラメント導体１の全長に関係なく効果的に低減される。

図５には、前面９における２つの任意のフィラメント２０又は裏面１０における２つの任意のフィラメント２０’によって取り囲まれた平面Ａが鎖線として例示されている。平面Ａに対して垂直方向の磁界成分をＢとすると、平面Ａは磁束Ｂ×Ａによって貫通される。基板２の前面９のフィラメント２０および裏面１０のフィラメント２０’の２つの交差点２７，２８のそれぞれを介して、誘起電圧Ｕ＝０．５Ａ・ｄＢ／ｄｔが生じる。その誘起電圧は導体中央において最大であり、縁部１９において零である。第１支持体１６と第２支持体１７との間の本発明による電気絶縁層２９は、フィラメント２０および２０’間の薄い基板２を垂直に通る誘導電流を防止する。これらの誘導電流が流れると、フィラメント２０，２０’内の輸送電流に重畳し、フィラメントト２０，２０’を損失のある抵抗性領域に追い込み、付加的に基板２に抵抗損失を生じさせるであろう。第１支持体１６と第２支持体１７との間の電気絶縁層２９もしくは中間層により、基板２を介する磁気結合が阻止される。

例えば核スピン断層撮影装置、加速装置、核共鳴スペクトロメータにおけるように高い磁界精度が必要とされる磁石用途においては、フィラメント幅に局在する比較的小さい遮蔽電流によって、それにより発生させられる磁界の実効体積が著しく低減される。従って本発明によるマルチフィラメント導体は臨界的な直流用途においても使用可能である。

フィラメント２０および２０’間で縁部１９を介して常電導の電気接触を行なう場合には、近似的に、
Ｒ_n＝ρ_nп（ｄ_n＋ｄ_S）／（ｄ_nＬ_n）
である抵抗Ｒ_nが存在する。ρ_nは比電気抵抗、であり、ｄ_n，ｄ_Sは常電導層および支持体１６、７の厚さであり、Ｌ_n＝ｄ_fＬ／２ｂは第１方向２１におけるブリッジ２３の長さであり、ｄ_fはフィラメント幅である。撚り長Ｌ当たり２個のブリッジ２３は、各フィラメント２０，２０’において積算されて、
＜Ｒ_n＞／１＝ρ_nп（ｄ_n＋ｄ_S）２ｂ／（ｄ_nｄ_fＬ²）
なる単位長当たりの平均抵抗となる。

この抵抗は、転位長Ｌが大きくなるにともなって非常に小さくなる。例えば、ｂ＝１０ｍｍの幅と、０．３ｍｍの全厚と、Ｉ_c＝３００Ａと、幅ｄ_f＝０．５ｍｍの幅の１５個のフィラメント２０，２０’と、ｊ_e＝１００Ａ／ｍｍ²なるマルチフィラメント導体１内の実効臨界電流密度と、Ｌ＝２０ｃｍなる転位長もしくは撚り長と、７７Ｋでの銅のρ_n＝２×１０^-9Ωｍと、ｄ_n＝ｄ_S＝０．１ｍｍなる銅層５および基板２の厚さとを有するマルチフィラメント導体１に関しては、銅ブリッジ２３を通る１つのフィラメント２０，２０’の平均抵抗が、
＜Ｒ_n＞／１＝１２．５μＯｈｍ／ｍ
によって与えられる。

フィラメント２０，２０’においてＩ＝Ｉ_c／１５＝２０Ａである場合に、電圧降下は２５０μＶ／ｍすなわち２．５μＶ／ｃｍである。これは、一般に産業用超電導導体において臨界電流が定義される電圧降下１μＶ／ｃｍの範囲内にある。

付加的損失は電流の２乗で増大する。Ｉ_c＝３００Ａの場合、これはマルチフィラメント導体１の1メートル当たり７５ｍＷ、すなわち１キロアンペアメートル当たり２５０ｍＷである。従って、従来の解決策と比較した場合に、本発明によるＨＴＳ材料を有するマルチフィラメント導体１は、銅からなる抵抗性導体に比べて９０％のエネルギ節約をもたらす。超電導材料における磁気損失Ｐ_hは、既に述べたように小さいフィラメント幅ｄ_fによって低減することができる。従って、超電導ケーブル、超電導変圧器、超電導導体を有する電気機械における５０／６０ヘルツでの交流用途および他の用途が、本発明によるマルチフィラメント導体１により経済的に実現できる。

それに加えて、従来の銅導体に対する利点として、１〜２桁大きい実現可能な電流密度がもたらされる。

図６ａ乃至６ｃには、第１支持体１６および第２支持体１７の少なくとも１つの中間層による結合部１８の異なる実施形態を有する図５に示されたマルチフィラメント導体１の断面図が示されている。これらのフィラメント２０，２０’は、緩衝層４と超電導層３と安定化層５からなる既述のフィラメント２０，２０’と同様に構成されている。隣接するフィラメント２０，２０’間にそれぞれ溝６が形成されている。基板２の前面９におけるフィラメント２０および裏面１０におけるフィラメント２０’は縁部１９を介して安定化層５によって互いに電気的に接続されている。

図６ａにおいては、第１支持体１６および第２支持体１７が、それらの裏面を介して、それぞれ互いに平面的に電気絶縁されて結合されている。この結合は、例えばそれらの裏面相互の接着によって行なうことができる。支持体１６および１７間に付加的に熱絶縁層を配置することができる。

図６ｂにおいては、支持体１６および１７が、基板材料２からなる管２４が圧潰されることによって形成されている。薄い絶縁性の隙間を管内に残すことができ、この隙間は冷却に利用することもできる。例えば液体窒素をその隙間を通して案内し、マルチフィラメント導体１を液体窒素によって付加的に内側から冷却することができる。

図６ｃにおいては、第１支持体１６および第２支持体１７が、１つの幅広の支持体の折り畳みによって形成されている。この幅広の支持体の幅は１つの支持体１６，１７の幅の２倍に等しい。折り畳み線が幅広の支持体の中心における縦軸線に沿って延びている。折り畳み線は基板２の一方の縁部１９をなし、基板２の反対側の縁部１９に沿って溶接又は接着継ぎ目２５が第１支持体１６および第２支持体１７を機械的に安定に互いに結合することができる。安定化層５の堆積および溝６の形成の際に、複数の縁部１９を介して、それぞれ第１支持体１６および第２支持体１７のフィラメント２０が結合される。溝６が形成により、一方の支持体１６又は１７の隣接するフィラメント２０が、縁部１９においてもそれぞれ電気的に互いに分離されている。図６ａ乃至６ｃにおける実施例と図４の実施例との組み合わせは、ブリッジ２３を介して、一方の支持体１６又は１７上のフィラメント２０の電気接続をもたらす。

１ マルチフィラメント導体
２ 帯状基板
３ 超電導層
４ 緩衝層
５，５’ 安定化層
５ａ 銀層
５ｂ 銅層
６ 溝
７，７’ 電流方向
８ 外部磁界
９ 前面
１０ 裏面
１１ アルミニウム層
１２ イットリア層
１３ ＩＢＡＤ−ＭｇＯ層
１４ Ｈｏｍｏ−ｅｐｉ−ＭｇＯ層
１５ ＬＭＯ層
１６ 第１支持体
１７ 第２支持体
１８ 機械的結合面
１９ 縁部
２０，２０’フィラメント
２１ 第１方向
２２ 第２方向
２３ ブリッジ
２４ 管
２５ 溶接又は接着継ぎ目
２６ 第３方向
２７ 交差点
２８ 交差点
２９ 中間層

特に転位された導体構成の場合には損失の少ない通電が達成される。更に、前面の少なくとも１つのフィラメントと、裏面の少なくとも１つのフィラメントとが、特に帯状基板の１つ又は２つの側面における少なくとも１つの第３表面に形成された少なくとも１つの層を介して、導電接続されているとよい。転位長が約２０ｃｍであるとよい。

支持体材料が５０〜１００μｍの範囲の厚さと約１０ｍｍの幅とを有するとよい。
少なくとも１つの緩衝層が約１００ｎｍの厚さを有するとよい。少なくとも１つの超電導層が約１μｍの厚さを有し、少なくとも１つのフィラメントが約０．５ｍｍの幅を有するとよい。少なくとも１つの安定化層が３μｍ〜３００μｍの範囲の厚さを有するとよい。これらはマルチフィラメント導体の多くの用途にとって都合のよい大きさである。

フィラメント２０，２０'においてＩ＝Ｉ_c／１５＝２０Ａである場合に、電圧降下は２５０μＶ／ｍすなわち２．５μＶ／ｃｍである。これは、一般に産業用超電導導体において臨界電流が定義される電圧降下約１μＶ／ｃｍである。

Claims (15)

1. 帯状基板（２）と少なくとも１つの超電導層（３）とを有するマルチフィラメント導体（１）であって、前記少なくとも１つの超電導層（３）が帯状基板（２）の少なくとも一方の表面に形成されて複数のフィラメント（２０，２０’）に分割されており、前記帯状基板（２）がそれの長手方向の延びに平行に第１方向（２１）を有し、前記少なくとも１つのフィラメント（２０，２０’）がそれの長手方向の延びに平行に第２方向（２２）を有するマルチフィラメント導体（１）において、帯状基板（２）の第１方向（２１）と少なくとも１つのフィラメント（２０，２０’）の第２方向（２２）とが零よりも大きい角度をなしていることを特徴とするマルチフィラメント導体（１）。
2. 帯状基板（２）の第１方向（２１）と少なくとも１つのフィラメント（２０，２０’）の第２方向（２２）との間の角度が１度と５度との間にあること、および／又は少なくとも１つのフィラメント（２０，２０’）が、特に第１方向（２１）に平行な長手方向成分なしに、完全に第２方向（２２）に沿って形成されていることを特徴とする請求項１記載のマルチフィラメント導体（１）。
3. 帯状基板（２）が第１表面を前面（９）に有し、それに対向する第２表面を裏面（１０）に有し、第１表面にも第２表面にも複数のフィラメント（２０，２０’）が形成されており、特に第１表面のフィラメント（２０）が第２方向（２２）を有し、この第２方向（２２）が、第２表面のフィラメント（２０’）の長手方向に平行な第３方向（２３）に等しくないことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチフィラメント導体（１）。
4. 前面（９）の少なくとも１つのフィラメント（２０）が、裏面（１０）の少なくとも１つのフィラメント（２０’）と導電接続されていること、特に帯状基板（２）の１つ又は２つの側面における少なくとも１つの第３表面に形成された少なくとも１つの層（１９）を介して導電接続されていることを特徴とする請求項３記載のマルチフィラメント導体（１）。
5. １つの表面における少なくとも２つの隣接するフィラメント（２０，２０’）の間に少なくとも１つの電気的なブリッジ（２３）が形成され、該ブリッジ（２３）によってそれらの少なくとも２つの隣接するフィラメント（２０，２０’）の電気接続が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のマルチフィラメント導体（１）。
6. 前記少なくとも１つの電気的なブリッジ（２３）がその１つの表面の中央に配置されていること、特に前記ブリッジ（２３）の長手方向が帯状基板（２）の第１方向（２１）に平行になるように配置されていることを特徴とする請求項５記載のマルチフィラメント導体（１）。
7. マルチフィラメント導体（１）が、帯状の支持体材料（１６，１７）、少なくとも１つの緩衝層（４）、好ましくは高温超電導（ＨＴＳ）層である少なくとも１つの超電導層（３）および／又は少なくとも１つの安定化層（５）からなる積層体を有することを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のマルチフィラメント導体（１）。
8. 支持体材料（１６，１７）が金属、特に鋼からなること、および／又は
   少なくとも１つの緩衝層（４）が、ＡＬ（１１）、イットリア（１２）、ＩＢＡＤ −ＭｇＯ（１３）、Ｈｏｍｏ−ｅｐｉ−ＭｇＯ（１４）、ＬＭＯ（１５）からなるグループからの少なくとも１つの材料又はこれらの材料からの組み合わせおよび／又は積層体を含むこと、および／又は
   少なくとも１つの超電導層（３）がＹＢＣＯ、特に少なくとも１つのＨＴＳ層のＹＢＣＯを含むこと、および／又は
   少なくとも１つの安定化層（５）が銅又は銀からなるか又は少なくとも１つの銅層（５ｂ）および／又は少なくとも１つの銀層（５ａ）を有する積層体を含むこと、および／又は
   少なくとも１つのブリッジ（２３）が少なくとも１つの安定化層（５）の材料からなるか又はこれを含むこと、
   を特徴とする請求項７記載のマルチフィラメント導体（１）。
9. 支持体材料（１６，１７）が５０〜１００μｍの範囲の厚さと１０ｍｍの範囲の幅とを有すること、および／又は少なくとも１つの緩衝層（４）が１００ｎｍの範囲の厚さを有すること、および／又は少なくとも１つの超電導層（３）が１μｍの範囲の厚さを有すること、および／又は少なくとも１つのフィラメント（２０，２０’）が０．５ｍｍの範囲の幅を有すること、および／又は少なくとも１つの安定化層（５）が３μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項７又は８記載のマルチフィラメント導体（１）。
10. 前記複数のフィラメント（２０，２０’）が転位されていること、特に２０ｃｍの範囲の転位長で転位されていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載のマルチフィラメント導体（１）。
11. 互いに向かい合っている面を有する２つの帯状支持体材料（１６，１７）が機械的に結合され、特に同一形状に結合され、
    各１つの帯状支持体材料（１６，１７）における機械的に結合された前記面とは反対側の面に少なくとも１つの超電導層（３）が形成され、
    その超電導層（３）の上に安定化層（５）が形成され、
    第１の帯状支持体材料（１６）の安定化層（５）と、第２の帯状支持体材料（１７）の安定化層（５’）とが、２つの帯状支持体材料（１６，１７）の両側の縁部（１９）において、該縁部（１９）を介して両安定化層（５，５’）の電気接続が行なわれるように部分的に重ね合わされて形成され、そして、
    これらの超電導層（３）および安定化層（５，５’）が複数のフィラメント（２０，２０’）に分割されることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載のマルチフィラメント導体（１）の製造方法。
12. 前記層の形成が電気分解、ろう付け、蒸着、スパッタリング、および／又は気相中での金属化合物の熱分解によって行なわれること、および／又は複数のフィラメント（２０，２０’）への超電導層（３）および安定化層（５，５’）の分割が、レーザおよび／又はエッチング、特に化学エッチングによって、１つの層をそれぞれ端から端まで走る複数の溝（６）により行なわれることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 帯状基板（２）の第１方向（２１）と少なくとも１つのフィラメント（２０，２０’）の第２方向（２２）との間の零に等しくない角度で複数の溝（６）が形成され、螺旋状の複数の電流路が生じるように、複数のフィラメント（２０，２０’）が２つの帯状支持体材料（１６，１７）上において両側の縁部（１９）を介して導電接続されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記層の形成が、印刷、貼付け、電気分解、ろう付け、蒸着、スパッタリングおよび／又は気相中での金属化合物の熱分解によって行なわれ、フィラメント構造（２０，２０’）が直接的に形成されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
15. ２つの帯状支持体材料（１６，１７）が耐熱性で絶縁性の中間層（２９）および／又は間隙によって互いに分離され、これが、特に２つの帯状支持体材料（１６，１７）の溶接（２５）によって、又は１つの帯状支持体材料が折り曲げられて２つの重なり合った帯状体（１６，１７）に形成されることによって、又は特に帯状支持体材料（１６，１７）が、テクスチャ化される圧延工程の前に、１つの管（２４）が平らに圧潰されることによって行なわれることを特徴とする請求項１１乃至１４の１つに記載の方法。

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