JP3984303B2 - 高温超伝導体及び該高温超伝導体の使用法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は高温超伝導体に関する。この場合、高温超伝導体の成形体における少なくとも１つの導体表面上に少なくとも１つの金属製導体が設けられており、該金属製導体は前記成形体と電気的に良好に接触接続されている。さらに本発明は高温超伝導体の使用方法にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
請求項１の上位概念に関して、本発明はドイツ連邦共和国特許出願公開第４１２４９８０号公報から公知であるような従来技術に関連する。そこに記載されている中空シリンダ状の安定化されたセラミック製高温超伝導体にはその内部に、これと電気的に良好な接触状態でこの超伝導体の長手軸と平行に、貴金属バーないし貴金属導体が設けられている。中空シリンダにはその端部に銀薄板から成る２つの接点部材が設けられており、これらは貴金属導電体を介して互いに接続されている。
【０００３】
アメリカ合衆国特許第５，１４０，２９０号から交流電流の誘導式電流制限装置が公知であり、この場合、制限すべき電流は誘導コイルを通って流れる。このコイル内部には高温超伝導体から成る中空シリンダが配置されており、さらにこれと同心に透磁率の高い軟磁性材料が設けられている。通常動作時つまり定格電流のときには、中空シリンダの超伝導性によりその内部空間が遮蔽されており、したがって誘導コイルのインピーダンスは著しく僅かである。たとえば電源短絡によるような過電流の際には超伝導性が消滅し、誘導コイルのインピーダンスがその電流制限最大値に達する。
【０００４】
臨界電流よりも大きく数ｍＶ／ｃｍ〜数Ｖ／ｃｍの電圧をともなう短期間の過電流の際のこのような電圧−電流負荷によって、いわゆるホットスポットが生じる。高温超伝導体の材料における僅かな非均質性により、電圧が局部的に過度に上昇する。このことによりエネルギー浪費が強まり、これによりこのホットスポットでの加熱が生じる。その結果、抵抗値がしだいに局部的に上昇していき、ひいては電圧降下が過度に大きくなる。負荷がいっそう長く加われば、この作用により高温超伝導体が局部的に破壊されてしまう。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０１９３６８号公報により、ビスマス−２層キュプラートをベースとする高温超伝導体のシリンダないしリングの製造方法が公知である。この場合、均質な溶解物が回転する冷たい鋳型に入れられて鋳造される。周縁部における凝固速度とサンプル内部における凝固速度が著しく異なることから、著しく異なる密度を有し内部応力に満ちた構造が生じる。
【０００６】
たとえば１００Ｋよりも低い温度において電磁界を遮蔽するために、または誘導式電流制限器として用いられるような上記の形式の高温超伝導体の脆さは、セラミックの可塑性が欠けていることに起因する。著しく小さい微細な亀裂において引っ張り応力を受けた際に応力ピークが生じ、それらは可塑的に除去されず、亀裂を増大させてしまう。機械的な引っ張り応力の原因は、たとえば電磁力または温度勾配である。
【０００７】
関連する従来技術としてさらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１７６５１０９号公報を参照する。この公報から安定化された交流電流超伝導体が公知であって、この場合、銅またはアルミニウムから成る中空シリンダ状担体上に電気的に良好な接触状態で、たとえばテクネチウムまたはニオビウム／ジルコニウムから成る慣用の第３種の超伝導体が配置されており、さらにその上に鉛またはニオビウムから成る第１種または第２種の超伝導体の層がそれぞれ１μｍ〜１０μｍの厚さで、たとえば解離、電気分解またはプラズマ遊離により設けられている。
【０００８】
セラミックの高温超伝導体のためには、電気的な安定化の目的で特別に設計された金属層が必要である。この場合、電気的な接触接続が問題となる。
【０００９】
さらにドイツ連邦共和国特許出願公開第３９１９４６５号公報から、電流を貫流させる巻線と、中空シリンダ状であり金属酸化物セラミック製超伝導体から成る超伝導性コアとを備えたチョークコイルが公知である。このコアは、巻線において電流閾値を越えたときに磁気的に通常の導電状態に移行される。超伝導性コアの中空空間は少なくとも部分的に強磁性材料で満たされており、これを交互に超伝導性と強磁性の材料で合成し、超伝導性のコアから熱的に絶縁させておくことができる。
【００１０】
この場合にも、過電流の際に超伝導体における僅かな非均質性により局部的な加熱の生じるおそれがある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の高温超伝導体において、局部的な電圧の上昇つまりは高温超伝導体の局部的な加熱を回避することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、少なくとも１つの金属製導体が１つまたは複数個の層または薄片の形で被着されており、これについて下記の関係性
Σ δ_Em / ρ_Em > δ_SL / ρ_SL
が成立ち、ここにおいてｍが１からｍ１になるまで加算され、ｍ１は層の個数、ρ_Emはｍ番目の金属層の室温における比抵抗、δ_SLは成形体の室温における比抵抗、δ_Emはｍ番目の金属層の厚さないし壁厚、ρ_SLは当該高温超伝導体の成形体の厚さないし壁厚であることにより解決される。請求項１０には、上記の高温超伝導体の使用方法が記載されている。
【００１３】
【発明の利点】
本発明の利点は、高温超伝導体の電流−電圧負荷容量が著しく高められることにある。電流制限器として適用するのに必要とされるように、臨界電流の何倍もの電流をこの超伝導体に加えることができる。
【００１４】
次に、実施例に基づき本発明を説明する。
【００１５】
【実施例の説明】
図１によれば、交流電流源１たとえば発電機または変圧器は、通常は閉成されている接点ないしはスイッチ２およびチョークコイル３を介して電流消費機器つまり電気負荷１０と直列接続されている。チョークコイル３の内部空間において、真空容器５を備え少なくとも部分的に液体窒素（Ｎ₂ ）で満たされている冷却体４内に、中空シリンダ状の高温超伝導体６が設けられており、これは複数個の短いシリンダを組み合わせて構成可能であって、電流負荷１０の通常動作時には超伝導性である。この高温超伝導体６の中空シリンダの内部空間には、軟磁性材料から成るコアたとえばトランスコア９が配置されており、このコアのインダクタンスは超伝導性の高温超伝導体６によりチョークコイル３に作用しないように遮蔽されている。もちろん、チョークコイル３または変圧器９あるいはこれら両方を液体窒素で冷却することも可能であり、つまりこれらを真空容器５内に配置することもできる。
【００１６】
電流負荷１０において矢印で示されているように短絡１１が生じた場合、チョークコイル３を流れる電流が高まることによって高温超伝導体６の臨界電流強度を越え、その結果、この高温超伝導体６は通常の導電性になり、トランスコア９のインダクタンスが作用するようになって、チョークコイル３を通る短絡電流がクリティカルでない値に制限される。その後、遮断信号Ｓ２により、通常は閉成されている接点２を開放して短絡電流を完全に遮断できる。
【００１７】
高温超伝導体６の中空シリンダＳＬ上に、電気的補強部材として第１の金属層ないし導電性の銀ペーストから成る銀層Ｅ１が被着されており、さらにその上には鋼線または帯状体あるいは繊維ないしはグラスファイバ組織体から成る機械的補強部材７が引っ張り応力を受けて巻回されており、これは固定部材８によって固定されている。
【００１８】
図１とは異なり図２では高温超伝導体６の中空空間内にチョークコイル３が示されており、この場合、トランスコア９の一方の脚部がチョークコイル３の中空空間内に配置されている。この配置構成の場合にも、高温超伝導体６は短絡電流により通常の導電性になり、それによってチョークコイル３、高温超伝導体６およびトランスコア９から成る装置のインピーダンスが高まり、その結果、短絡電流が制限される。
【００１９】
縮尺どおりではないが、図３には図１および図２による短絡電流制限器で用いることのできるような高温超伝導体の横断面図が描かれている。
【００２０】
２０ｃｍの平均直径ｄ_SL、１０ｃｍの高さｈおよび３ｍｍの壁厚であり高温超伝導体から成る回転対称の中空シリンダＳＬ上において外面上の周方向に、導電性銀ペーストから成る厚さ１μｍの第１の金属層ないし銀層Ｅ１が被着されている。この銀層Ｅ１の平均直径ｄ_E1は、実質的に高温超伝導体ＳＬの外径に等しい。この銀層Ｅ１の上に電気的補強部材として単一の層で、銀またはアルミニウムから成る厚さ１０μｍの第２の金属層Ｅ２ないし金属薄片を被着することができるし、あるいは鉛、アンチモン、インジウム、ビスマス、鋼、錫または亜鉛ないしはこれらの金属の合金から成る厚さ１００μｍの第２の金属層ないし金属薄片を被着することができる。この第２の金属層ないし金属薄片は、巻回数が１０００であり横断面積が０．０３ｍｍ² の弾性の鋼線つまり引っ張り応力の加わる弾性の補強部材７により巻回されている。さらにこの補強部材は、はんだまたは常温安定性合成樹脂あるいはグラスファイバで補強されたエポキシ樹脂により、つまり固定部材８により、第２の金属層Ｅ２上に固定されている。参照番号１２で中空シリンダＳＬの軸が示されている。第２の金属層Ｅ２は、図１の場合のように省略することもできる。
【００２１】
付加的にまたは択一的に、銀層Ｅ１および／または第２の金属層Ｅ２を高温超伝導体ＳＬの内面に被着することができる。ここでは相応する層にダッシュが付されている。この場合に好適には、銀層Ｅ１′および場合によっては第２の金属層Ｅ２′も高温超伝導体ＳＬに圧着して１ｍΩ ｃｍ^２ よりも小さい接触ないし接点抵抗を保証する目的で、高温超伝導体ＳＬの内部空間に押圧力を加える補強部材７（図示せず）が必要である。
【００２２】
外側の機械的補強部材７は、中空シリンダＳＬを圧縮力で押さえている。室温またはそれよりも高い温度において、積層された中空シリンダＳＬを鋼線７で巻回し、この鋼線は巻回中ほぼ一定の引っ張り応力σ_BWの作用下にある。巻回は、銅のコイルの製造に用いられるようなワインダにより行われる。巻回後、個々の巻線は固定され、これははんだ付けまたは常温安定性合成樹脂を用いた接着により行うことができる。
【００２３】
室温でも１００Ｋよりも小さくても高温超伝導材料において所望の作用つまり圧縮力の発生を確実にするために、以下の要求が満たされていなければならない：
ａ）引っ張り応力σ_BW−これよりも小さい値で補強部材７が積層された中空シリンダＳＬに巻回される−は、シリンダの弾性域を越えないように選定する必
要がある。
【００２４】
ｂ）中空シリンダＳＬが冷却されても高温超伝導体における圧縮力 -σ_SLが維持されるかまたはいっそう良好にはこれが大きくなるようにする目的で、中空シリンダＳＬの材料の熱膨張係数α_SLよりも大きい熱膨張係数α_A を有する
補強部材７が有利である。
【００２５】
ｃ）これと同時に、上記の両方の熱膨張係数の差（α_A −α_SL）は、固定された補強部材７において冷却されても補強部材の引っ張り応力α_A がその弾性域
を越えてない大きさにする必要がある。
【００２６】
補強部材７における引っ張り応力σ_SLならびに高温超伝導体における圧縮力 -σ_SLの定量的な算出は以下のようにして行える：
以下なる温度Ｔであっても、
-σ_SL = K ・ σ_A (1)
があてはまる。この場合、
K = n ・ S_A / S_SL
であって、ｎは線材７の巻回数、Ｓ_A は線材７の横断面積、Ｓ_SLは中空シリンダＳＬの壁の横断面積である。
【００２７】
巻回の温度Ｔ_BWのとき圧縮力は、
-σ_SL (T_BW) = K ・ σ_BW (2)
により定められる。
【００２８】
αとＥの温度依存性を無視すればＴ_BWとは等しくない温度Ｔに対し、
α_A (T_BW - T) +［σ_A (T_BW) - σ_A (T)］/ E_A =
= α_SL(T_BW - T) +［σ_SL(T_BW) - σ_SL(T)］/ E_SL (3)
があてはまる。この場合、Ｅ_A は補強部材７の弾性係数であり、Ｅ_SLは高温超伝導体の弾性係数である。
【００２９】
式（１）および（２）を式（３）に代入することにより、
-σ_SL(T) = σ_BW / K + K~¹ ・ (α_A - α_SL) ・ (T_BW - T) / ［K / E_SL + 1 / E_A］
および
σ_A(T) = α_BW + (α_A - α_SL) ・ (T_BW - T) /［K /E_SL + 1 / E_A］
が得られる。
【００３０】
実例：
超伝導性の中空シリンダＳＬの半径は１０ｃｍ、高さ１０ｃｍ、壁の横断面積Ｓ_SLは３０ｍｍ² 、膨張係数 α_SL = 10 ・ 10~⁶ であり、弾性係数 Ｅ_SL = ２９ＧＰａである。
【００３１】
鋼線７はｎ＝１０００の巻回数であり、横断面積Ｓ_A は０．０３ｍｍ² 、膨張係数α_A = 15 ・ 10~⁶ 、弾性係数Ｅ_A = ２００Ｇｐａ、 引っ張り応力 σ_BW = １２０Ｍｐａである。弾性限界の値は７００Ｍｐａである。
【００３２】
有利には膨張係数α_A に対して ５・１０~⁶ ≦α_A ≦ ２５・１０~⁶ が適用され、引っ張り応力σ_BWに対して１０ＭＰａ ≦ σ_BW ≦ ５００ＭＰａが適用される。
【００３３】
固定部材８として、 Deltabond という商品名で市販されているプラスチックを用いた。７７Ｋまで冷却しても亀裂は形成されなかった。
【００３４】
電気的補強部材Ｅ１，Ｅ２と機械的補強部材７により、電流は電圧上昇が局部的に過度に上昇したところを通り過ぎて整流される。これにより、高温超伝導体６において分散される電力が低減され、局部的な加熱が回避される。電気的補強部材は、高温超伝導体ＳＬの内側および／または外側において１つまたは複数個の金属層で構成可能である。この層は金属薄片として圧着することができるし、あるいは電気化学的にまたはプラズマスプレイないし類似の手法で被着することができる。
【００３５】
いかなる個所でも電流を整流できるようにするためには、電気的補強部材Ｅ１，Ｅ２と高温超伝導体ＳＬとの間の接触抵抗をどこでもできるかぎり小さくする必要があり、有利には１ｍΩ ｃｍ^２ よりも小さくし、たとえば１μΩ ｃｍ^２ 以下にする必要がある。
【００３６】
高温超伝導体ＳＬの負担を著しく軽減するためには、電気的補強部材Ｅ１，Ｅ２の電気抵抗値を、臨界温度Ｔ_C を越えて加熱された超伝導体の抵抗値よりも小さくする必要がある。高温超伝導体ＳＬの表面に被着された厚さδ_E1の単一の補強層に関してこの要求は、
δ_E1 / ρ_E1 > δ_SL / ρ_SL (4)
であることを意味する。この場合、ρ_E1は室温における第１の金属層Ｅ１の比抵抗であり、ρ_SLは室温における高温超伝導体ＳＬの比抵抗であり、δ_SLは高温超伝導体の厚さないし壁厚である。
【００３７】
一般にｍ１個の層に対して、
Σ δ_Em / ρ_Em > δ_SL / ρ_SL (5)
があてはまり、この場合、ｍが１からｍ１になるまで加算される。
【００３８】
電流制限器として使用するためには、所望の電流制限特性を得る目的で補強部材Ｅ１，Ｅ２，７の抵抗値を十分に大きくしなければならない。短絡１１が生じた場合、つまり電流制限器において最大定格電圧Ｕ_N が降下した場合、典型的には定格電流Ｉ_N のｋ倍までエラー電流を制限すべきである。この場合、１≦ｋ≦１０であり有利には２≦ｋ≦５である。
【００３９】
有利には曲折した形状で構成されている抵抗式電流制限器（保護すべき線路にじかに直列接続された高温超伝導体）に対してはこのことは、電気的補強部材の抵抗値をＵ_N ／（ｋ・Ｉ_N ）よりも大きくすべきことを意味する。このような曲折した形状の抵抗は、機械的補強部材としてはたらく非導電性のプレート上に固定される（図示せず）。
【００４０】
図１および図２による誘導式電流制限器の場合、保護すべき線路はｎ回の巻回数である通常の導電性のコイルを介して超伝導性の高温超伝導体と誘導的に結合される。この場合、線路電流Ｉと通常の導電性のチョークコイル３にて降下する電圧Ｕは、係数ｎ（電流の場合）ないし１／ｎ（電圧の場合）で超伝導性の中空シリンダ６へ伝達される。したがって高温超伝導体６の補強部材Ｅ１，Ｅ２，７の電気抵抗値Ｒに関して、
R > U_N / (n² ・ k ・ I_N ) (6)
となり、あるいは電気的補強部材Ｅ１，７が厚さδ_E1である単一の層から成り高さｈを有する場合、
2 ・ π ・ r ・ ρ_E1 ・ h / δ_E1 > U_N / (n² ・ k ・ I_N ) (7)
となり、この場合、係数ｋに対して１≦ｋ≦１０、有利には２≦ｋ≦５があてはまる。
【００４１】
補強部材の熱質量は、補強部材Ｅ１，Ｅ２，７における熱による損傷を回避するためにできるかぎり大きく選定すべきである。この実施例の場合、機械的補強部材７は電気的な安定化部材の一部である。鋼線７は付加的な電気的バイパスとしてはたらく。短絡電流は電圧が上昇したところでまず最初に銀層Ｅ１ないし第２の金属層Ｅ２へ流れて整流され、一部はさらに鋼線７へ流れて整流される。他方、鋼線７により形成された押圧力により、種々異なる層Ｅ１，Ｅ２間の接触抵抗が低減される。
【００４２】
この高温超伝導体６に対して０．１秒の間、臨界電流の４倍の値が加えられた。補強部材７により機械的にしか安定化されておらず上記の負荷では破壊されてしまった高温超伝導体６とは異なり、付加的に電気的に安定化されたリングのところではいかなる損傷も起こらなかった。
【００４３】
上述の設計仕様や金属層とは異なるものを使用できることは自明である。重要なのは、機械的補強部材７に加えてさらに、電気的バイパスとしてはたらく少なくとも１つの電気的補強部材Ｅ１，Ｅ２が設けられていることである。
【００４４】
金属製の線路Ｅ１，Ｅ２，Ｅ１′，Ｅ２′の比抵抗は、有利には７７Ｋにおいて１μΩ ｃｍ よりも大きくすべきである。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、高温超伝導体における局部的な電圧の過度の上昇つまりは高温超伝導体の局部的な加熱が回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】短絡電流制限器の設けられた交流電流回路図であって、この電流制限器は電流制限のためにチョークコイル内部に軟磁性コアを備えた中空シリンダ状高温超伝導体を有する。
【図２】高温超伝導体の内部空間にチョークコイルを備えた図１による短絡電流制限器を示す図である。
【図３】金属で積層された高温超伝導体の横断面図である。
【符号の説明】
１ 交流電圧源
２ スイッチ
３ チョークコイル
４ 冷却体
５ 真空容器
６ 中空シリンダ
７ 補強部材
８ 固定部材
９ トランスコア
１０ 電流負荷
１１ 短絡
１２ 軸

Claims (8)

1. 高温超伝導体（６）の成形体（ＳＬ）における少なくとも１つの導体表面上に少なくとも１つの金属製導体（Ｅ１，Ｅ２；Ｅ１′，Ｅ２′）が設けられており、前記成形体（ＳＬ）は前記導体表面全体にわたり一定の厚さないし壁厚δ _SL を有している高温超伝導体において、
   少なくとも１つの金属製導体（Ｅ１，Ｅ２；Ｅ１′，Ｅ２′）が１つまたは複数個の層または薄片の形で被着されており、これについて下記の関係性
   

   

   が成立ち、
   ここにおいてｍが１からｍ１になるまで加算され、ｍ１は電気的補強部材として働く層（Ｅ１，Ｅ２；Ｅ１′，Ｅ２′）の個数、ρ_Emはｍ番目の金属層（Ｅｍ）の室温における比抵抗、ρ_SLは前記成形体（ＳＬ）の室温における比抵抗、δ_Ｅｍはｍ番目の金属層の厚さないし壁厚、δ_SLは当該高温超伝導体（６）の成形体（ＳＬ）の厚さないし壁厚であり、
   少なくとも１つの金属製導体（Ｅ１，Ｅ２；Ｅ１′，Ｅ２′）と当該高温超伝導体（６）の成形体（ＳＬ）との間の電気的な接触抵抗は１ｍΩｃｍ²よりも小さいことを特徴とする高温超伝導体。
2. 少なくとも１つの金属製導体（Ｅ１，Ｅ２；Ｅ１′，Ｅ２′）は７７ｋのときに１μΩ ｃｍよりも大きい比抵抗を有し、金属薄片として圧着されるか、またはプラズマスプレイまたは火炎スプレイまたは電気化学的手法で被着されている、請求項１記載の高温超伝導体。
3. 前記金属製導体は鉛、アンチモン、インジウム、ビスマス、鋼、錫または亜鉛ないしはこれらの金属の合金を含む、請求項１記載の高温超伝導体。
4. 前記成形体は曲折した形状の抵抗式電流制限器として形成されている、請求項１または２記載の高温超伝導体。
5. 少なくとも１つの金属製導体（Ｅ１，Ｅ２；Ｅ１′，Ｅ２′）の電気抵抗（Ｒ）に対して、
   R ＞ U_N / ( k・I_N）
   があてはまり、Ｕ_Nは定格電圧、Ｉ_Nは定格電流、kは係数であって１≦k≦１０である、請求項４記載の高温超伝導体。
6. 当該高温超伝導体（６）の成形体（ＳＬ）は中空シリンダであり、該中空シリンダに少なくとも１つの電気的な導体（Ｅ１，Ｅ２；Ｅ１′，Ｅ２′）を圧着するために、少なくとも１つの弾性の補強部材（７）が設けられている、請求項１または２記載の高温超伝導体。
7. 前記補強部材（７）は線材または帯状体から成り、該補強部材（７）の熱膨張係数（α_A）は前記中空シリンダ（ＳＬ）の材料の熱膨張係数よりも大きい、請求項６記載の高温超伝導体。
8. 請求項６または７のいずれか１項記載の高温超伝導体（６）の使用法において、
   当該高温超伝導体を、電流制限素子としてたとえばチョークコイル（３）を備えた電流制限回路において電流を制限するために用い、
   当該高温超伝導体（６）の電気的および機械的補強部材（Ｅ１，Ｅ２；Ｅ１′，Ｅ２′，７）全体の電気抵抗（Ｒ）に対して、
   R ＞ U_N / (n²・k・I_N）
   があてはまり、Ｕ_Nは定格電圧、Ｉ_Nは定格電流、ｎは前記チョークコイル（３）の巻回数、ｋは係数であって１≦ｋ≦１０であることを特徴とする、
   高温超伝導体の使用法。

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