JP4050515B2 - 高臨界温度複合超伝導導体 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、レーベルバー原理に従って構成された複数の部分導体を備え、この部分導体が各々
・幅Ｂを持つ少なくともほぼ矩形状の断面と、
・常伝導材料からなるマトリクス及び／又は被覆に配置された高Ｔc超伝導材料 からなる少なくとも１つの導体芯と、
・幅Ｂの平面における側面方向の曲がりに関して所定の曲げ半径Ｒ及び所定の曲 げ領域長Ｈとを
備え、少なくともほぼ矩形状の断面を持つ完全転位複合超伝導導体に関する。この種複合超伝導導体は、「IEEE Transactions on Applied Superconductivity」、第９巻第２号（１９９９年６月）、第１１１〜１２１頁に開示されている。本発明は、更に、この複合超伝導導体の製造装置と使用方法に関する。
【０００２】
高Ｔc超伝導導体（以下ＨＴＳ導体と略称する）を、例えば変圧器巻線や電機巻線を実現すべく、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、損失の少ない導体を必要とする。しかし、現在、自己磁界７７Ｋにおいて約５０〜１００Ａeffの電流容量を持つ、小断面積のＨＴＳ帯導体しか提供されていない。その上、これら帯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関係する。
【０００３】
これらの理由から、技術的に使用可能な大電流超伝導導体は多数の個々の平行な帯導体から、例えばドイツ特許第２７３６１５７号明細書に開示の所謂複合導体の形に構成している。なお、その場合、できるだけ連続的で使用に適した構成を得ようとしている。商用周波数（一般に６０Ｈｚ迄）の枠内で交流電流に適用するため、その他に、以下で部分導体或いは個別導体と呼ぶ、この種複合導体の帯導体は、全断面に均一な電流分布、従って僅かな交流損失を保証すべく、相互に絶縁されかつ組織的に転位、即ち捩られねばならない。
【０００４】
大きな交流電流容量を持つ転位複合導体は原理的に公知である。それら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、銅からなる部分導体を備えた、例えばレーベル、 シュレンク或いは格子状バーの形の、所謂「導体バー」として、
・変圧器或いはリアクトル用の、銅からなる部分導体を備えた所謂「ドリル導体 」として、或いは
・例えばＣｕ中のＮｂＴｉのような金属超伝導導体からなる部分導体を備えた所 謂転位「平或いは丸導体」として（前述のドイツ特許第２７３６１５７号明細 書参照）。
【０００５】
交流電流容量を上げるためにＨＴＳ導体を転位させることも公知である。これに関する具体的な設計上の考察及び構造上のヒントは、以下のとおりである。
・丸形或いはほぼ丸形のＨＴＳ部分導体を単線或いは複線に連続的に転位する（ 例えば"IEEE Transaction on Applied Superconductivity"、第7巻第２号（ １９９７年６月）、９５８〜９６１頁に記載の所謂「ラザーフォードケーブル 」を参照）、
・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により連続的な転位効果を達成する（所謂「ピッチ調節 」、例えば国際特許出願公開９６／３９７０５明細書参照）、
・所謂「インサイチュー」転位、即ち、例えば変圧器巻線の、巻芯に直接巻回製 造する際に逐一転位する（例えば"IEEE Transaction on Applied Super cond uctivity"、第７巻第２号（１９９７年６月）、２９８〜３０１頁参照）。
【０００６】
最初に挙げた文献"IEEE Transaction on Applied Superconductivity"に、レーベルバー方式に従った、ＨＴＳ部分導体からなる完全転位複合超伝導導体の原理的構造が示されている。この複合超伝導導体は、その場合、例えばＮｂＴｉのような古典的な超伝導体からなる部分導体で実現されるコンセプトに従った部分導体から構成されている。しかしながら、このような構造では全体の複合導体の電流容量が比較的小さいものしか達成されないことが判っている。
【０００７】
本発明の課題は、それ故、最初に挙げた特徴を備えた複合超伝導導体を、従来の技術水準に比較して高い電流容量を持つよう構成することにある。しかもその際、その個々の帯状部分導体の本来の電流容量を最適に利用し、部分導体の機械的敏感性及び電気的異方性から生ずる危険が最小になるようにするものである。更に、この複合超伝導導体を殆ど任意の長さに製造可能とするものである。
【０００８】
この課題は、本発明によれば、各部分導体に対してその曲げ半径Ｒがその幅Ｂの１００倍より大きく、曲げ領域長Ｈがその幅Ｂの２０倍より大きいと共に、この部分導体相互を固定する手段を設けることにより解決される。
【０００９】
本発明による対策では、部分導体として特に完全絶縁され、完全転位された複数のＨＴＳ帯導体からなり、レーベルバー方式による複合超伝導導体の構造において、この部分導体の必要な連続的な屈曲又はエッジ方向の曲がり及び平面曲がりが臨界的な曲げ半径値を下回ってはならないという考慮から出ている。曲げ半径と曲げ領域長を、部分導体の幅に関連して本発明のように同時に選択することで、レーベルバー構造を形成すべく曲げる際、即ち所謂「レーベル転位する」際に、部分導体の超伝導導体芯の損傷を回避できることが認められている。その場合、上記の２つの量を本発明のように選択すると、レーベル転位の際に必要な曲げに対する曲げ半径が平側面についてもそのままで維持され、通常の量関係にある。かくして、その場合、各部分導体は全体の複合超伝導導体の電流容量に対して加算的に高度に貢献する。曲げ領域長Ｈは古典的な超伝導導体から公知の、上記の従来技術の構造の場合よりもはるかに大きいので、比較的弛やかな結合が生じ、この結果部分導体相互、従って全体の複合導体を固定する手段が必要となる。この固定手段は複合超伝導導体のその後の加工の観点で選ばねばならない。
【００１０】
本発明による複合超伝導導体は、それ故、電流容量が大きくかつ特に大きな導体長に関して大量生産の可能性がある点で優れている。
【００１１】
本発明の複合超伝導導体の有利な構成例を、請求項１以下の請求項に示す。
【００１２】
本発明による複合超伝導導体の電流低下の危険を最小にすることを考慮し、部分導体に対し曲げ半径Ｒを少なくともその幅Ｂの１５０倍及び／又は曲げ領域長Ｈをその幅Ｂの少なくとも５０倍にするのが有利である。
【００１３】
原理的には、本発明による複合超伝導導体の構造に対し異なる部分導体、例えば超伝導材料を備えたもの及び備えていないもの及び／又は異なる断面のものを使用できる。しかしながら、複合超伝導導体断面の全体にわたる均一な電流分布を考慮して、同じ構造を持つ部分導体で統合するのが有利である。
【００１４】
本発明による複合超伝導導体に関し、固定手段として部分導体相互の接着或いはロウ付けが挙げられる。特に、複合超伝導導体に充分な可撓性を与えるため、テーピング或いは編組を行うのがよい。その場合、必要に応じ後で行われる樹脂含浸或いは冷却媒体の浸入を改善することを考慮して、テーピングや編組は、特にそれに応じて透過性又は吸収性に構成される。
【００１５】
この複合超伝導導体は、各々その幅Ｂと各導体厚さＤとの比が５〜４０、特に１０〜２０の部分導体で構成するとよい。このような部分導体は、商業的にも生産されており、上記の最小値を維持しながら転位するのに特に適する。
【００１６】
本発明による複合超伝導導体を使用する際、交流電流損失の低減を考慮して、この複合超伝導導体は、その少なくとも幾つかを相互に電気的に絶縁された部分導体で構成するとよい。
【００１７】
従って、このような複合超伝導導体は、特に例えば変圧器や電気機械のような交流電流で動作する電力用機器に使用される。
【００１８】
本発明による複合超伝導導体をほぼ連続的に製造するために、個々の部分導体を繰り出しスプールから曲げ範囲及び案内範囲を経て転位領域で、導体断面状態が少なくともほぼ一定に、例えば水平になるように筌状に集める手段と、この転位された構造を送りユニットと固定締め付け範囲を経て巻き取り機に移送する手段とを備えた装置が提案される。固定締め付け範囲で特に導体構造のテーピングや編組が行われる。このような装置によりＨＴＳレーベル転位導体製造の基本的条件が満たされる。特に、ＨＴＳ導体に典型的な非常に長い曲げ領域の回避し難いことに対しては、「位置制御」、「保持」、「曲げ」、「転位」及び「統合」又は「結合」工程を機能的に分離し場所的に直列に配分することで対処する。
【００１９】
この装置の繰り出しスプールは、回転円板に回転可能に固定するとよい。
【００２０】
この装置で、部分導体の転位領域への供給は、回転するスリットガイド円板により行われる。転位領域には、その場合、固定のガイド部材及び転位チャネルを設けるのがよい。
【００２１】
本発明を、以下に、図面に関連して更に説明する。各図において同じ部分には同一の符号を付けてある。
【００２２】
図１は、全体を２で示す複合超伝導導体の一部を斜視図で示す。この導体２は、レーベルバー方式に従って構成された複数の部分導体３j（ｊは部分導体の数で１≦ｊ≦Ｎ）を含む導体のそれ自体公知の構成から出発する。レーベル転位の基本文献として、ドイツ特許第２７７０１２号明細書を参照する。Ｎ個の部分導体３jは、その場合、Ｎ＋１以上のラスタスペースを必要とする。図１において Ｆ 平面曲げ領域、
Ｇ1、Ｇ2 曲げていない直線部分、
Ｈ エッジ方向曲げ領域、
Ｐ 周期的エッジ方向曲げ領域間隔、
Ｖ 完全転位長、
Ｄ 部分導体厚、
Ｂ 部分導体幅
を意味する。
【００２３】
上記は、その場合、互いに次のような量的関係がある。即ち、
Ｐ＝Ｈ＋Ｇ1＋Ｆ＋Ｇ2 及び
Ｖ＝Ｎ×Ｐ（×は乗算記号）
【００２４】
図１は、更に、この複合超伝導導体２の一部の斜視上面図と、この上面図の個々の部分導体（３j）の一部を示す。
【００２５】
部分導体３jは矩形状断面を持つ公知の帯状単芯又は多芯ＨＴＳ導体であり、好適には全部分導体が同一に形成され、各部分導体は幅Ｂを持っている。部分導体は、特に一般的に以下の特徴と性質を備えた公知の構成である。即ち、
・配置と構造：部分導体は非常に薄く（代表的には０．２〜０．５ｍｍ、幅は約 ４ｍｍ迄）、小さい平断面（代表的には１ｍｍ2）を持つ。種々ある構成例の 中、ここで目的とする適用範囲に対しては、特に所謂多数フィラメント超伝導 導体（多数の超伝導導体芯を備える）が挙げられる。即ち、超伝導セラミック 材料が細いフィラメントの形で特に銀や銀合金からなるマトリクスに埋め込ま れる。このフィラメントは、その場合、特に交流電流損失を低減すべく撚って あるとよい。超伝導材料としては（Ｂｉ、Ｐｂ）2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx（ 所謂「ＢＰＳＣＣＯ−２２２３材料」）の型のＨＴＳ多元化合物が好適である 。銀マトリクスは、例えば銀−マグネシウム合金からなる付加的な薄いスリー ブで補強するとよい。図２〜４に基づく以下の考察で基礎とした、これに相当 する具体的なＨＴＳ帯標準導体は、"IEEE Transaction on Applied Supercond uctivity"、第９巻、第２号（１９９９年６月）２４８０〜２４８５頁から公 知である。この導体はＡｇＭｇスリーブで包囲されたＡｇマトリクスを持ち、 その中にＢＰＳＣＣＯ−２２２３材からなり互いにツイストされた５５本の導 体芯又はフィラメントが埋め込まれている。その外形寸法（絶縁を除く）は３ ．６×０．２６ｍｍ2である。この導体は更に０．０３〜０．０５ｍｍの厚さ を持つ、例えばルプロン製の絶縁物で包囲されている。
・塑性変形に対する機械的感度：伸長、曲げ或いは捻りにおける許容縁部繊維伸 びは、臨界曲げ半径が代表的に５０ｍｍ（平面側）又は８００〜１０００ｍｍ （エッジ方向）において≦０．０２％である。
・異方性：電流容量に著しい磁界方向依存性が観察される。例えば０．３Ｔ及び ７７Ｋにおいて搬送可能な電流は、磁界方向を導体平面から平らな導体側に対 して垂直な方向に回転するときに、約５分の１に低下する。
【００２６】
図示のＨＴＳ大電流複合導体２は以下の主要特徴を備えている。即ち、
１．この複合導体は複数の、好ましくは完全絶縁されたＨＴＳ帯導体を部分導体 ３jとして構成されている。複合超伝導導体の所望の定格電流ＩVLnに対し て定格電流ＩHTSnを持つ部分導体の必要数Ｎは単純に商ＩVLn／ＩHTSnとし ては生じない。この数は多くの場合明らかに大きく、具体的には材料に固有 の非直線のＩ（Ｂ）曲線によってのみそして特定の適用例に対して決定され る。ＩHTSnは自己磁界において伸張された帯導体に対して定められており、 これに対しＩVLnは、その適用の場における局部的磁界値に対して定められ ているからである。外部磁界なしで伸張された複合導体の場合、各々隣接す る部分導体によって高められた、各１つの部分導体のその場の磁界により既 にその電流容量の低減が起る。
２．部分導体３jは複合導体全断面内で組織的にかつ連続的に転位される（レー ベルバー原理：交互のエッジ方向及び平面曲げによる間断のない曲げ）。
３．転位の際、部分導体は純粋な横方向のずれしか許されないが、撚り線とは異 なり、回転、ねじれ又は傾斜をしていない。これにより、部分導体の整列は 電流容量を著しく低下する最も好都合な磁界方向に依存する（異方性）。
４．上述の部分導体曲げに対しては、本発明による所定の値の範囲内で導体固有 に求められる両横方向に異なる臨界曲げ半径が基準となる。この値を下回る と当該ＨＴＳ帯導体の電流容量は低下する。しかしこの臨界半径は、各々断 面の同じ銅帯の場合と比べ約１００倍大きい。図２の図表には部分導体とし て使用され、その超伝導導体フィラメントが伸び過ぎ、従って電流低下を生 じた公知のＨＴＳ標準帯導体の曲げ半径Ｒの臨界範囲（８００ｍｍ以下）を 十字ハッチングで示す。その他に、図３に示すように、公知のＨＴＳ導体帯 は曲がりの後２倍に伸びており、即ち、適用された曲げ半径Ｒ（工具におけ る）と永続的なそれより大きい曲げ半径ｒ（複合超伝導導体における）との 間を区別せねばならない。一般に得られるＨＴＳ標準帯導体の実際の曲げ特 性に対する代表的な値を図２の図表に示す。
５．更に図２の図表から、図３、４で定義した量Ｒ、ｒ、ｋ（側面的なほぼｓ状 の屈曲又は曲がりに対する）及びＨを基礎として明らかにしているように、 基本となった具体的なＨＴＳ標準帯導体においては許容曲げ半径Ｒ及びｒに 対するＨＴＳに代表的な高い値がＮ個の部分導体の比較的長く伸びた移行又 は曲げ領域Ｈ（＝部分導体幅Ｂの平面における側面方向の曲がりに関する曲 がり領域長）で補正される。これは、場合によっては、複合超伝導導体にお いて余りに大きい曲げ領域間隔Ｐ及び大きな完全転位長Ｖ＝Ｎ×Ｐをもたら し、これらは例えば数Ｎのように複合超伝導導体の他のパラメータにおいて 考慮せねばならない。
６．上記５．において言及した部分導体の長く伸張した曲げ領域は、全導体にお いて先ず緩やかな結合と断面許容誤差を維持する際に大きな問題を結果として 持っている。両者は、巻線の製造に対してもそれ自体困難を生ずる。これに対 しては適当な固定締め付け、特に個々の部分導体からなる構造に対するテーピ ング或いは編組の形により対処せねばならない。テーピングは、狭い許容値誤 差のために充分強固に、しかし同時にまた、複合超伝導導体を一般的に曲げる 際、例えば巻線を製造する際に部分導体の一様な内部の補償の動きを可能にす るために、充分緩く設けられる意味で適当である。このテーピングには、吸収 性の織布を使用するのが好ましい。多くの適用例においてその巻回は、巻線が 運転及び電流力に対して強固にされるようにするために、樹脂で含浸されるか らである。
７．上述の内部補償の動きにおいては、部分導体相互の絶縁表面の大きな平坦性 及び平滑性が付加的に大きな役割をしており、即ち、適当な絶縁物質の選択 を考慮せねばならないという要求が課せられている。滑り剤を挿入するのは 余り好ましくない。これは絶縁性を損ない、仕上がった巻線に時として適用 される樹脂含浸に害があるからである。
【００２７】
本発明による複合超伝導導体の製造は、図５に側面図で模式的に示す装置で良好に行える。全体を１０で示す装置は特に以下の部分、即ち部分導体３jのための繰り出しスプール１２、１３を備え、軸Ａを中心に回転可能な回転円板１１、二重曲げ工具１４、回転するスリットガイド円板１５、転位領域１７において固定のガイド部材１８及び転位チャネル１９、送りユニット２０、固定締め付け範囲２１、自由進行区間２２並びに巻き取り機２３を含む。
【００２８】
以下、この装置のこれら部分の機能を、水平方向の材料の流れに沿って説明する。即ち、
１．帯状のＨＴＳ部分導体３jをプロセスへの投入は個別に制動され繰り出しス プール１２、１３を介して、即ち後に形成される複合超伝導導体のＮ個の部 分導体の場合はＮ個の繰り出しスプールを介して行われる。これらは水平方 向（プロセスの流れ方向）に配置された大きな回転円板１１に各々揺動かつ 回転可能に、しかもその軸位置がプロセス方向に対し横方向に回転円板の回 転の際にもまた帯材料が抜き取られる際にも常に維持されるよう固定されて いる。
２．部分導体３jは、大きな回転円板の回転により、筌状に、即ち仮想円錐表面 に、本来のレーベル転位領域１７に供給される。この領域の前にはＮ個の個 々のスリットガイドを備え、その横軸が常に水平に保持された、同じ回転数 で回転するガイド円板１５が設けられ、これにより部分導体が正確な前進方 向を取り、レーベル転位領域に進むようにしている。
３．回転円板１１とスリットガイド円板１５の間で、曲げ（所謂「エッジ方向の Ｓ状曲げ領域」）が伸張された、特別な工具１４で作られるが、本来のレー ベル転位のはるか前で行われる従来の方法とは異なる。
４．これは歩進プロセスで、しかも部分導体毎に行われる。即ち、各々間断のな い全体プロセスにおいて二重工具１４が曲げ動作を行う１つの部分導体への 所謂導体「筌」の範囲に搬送され、この二重工具は筌範囲から再び搬出され 、大きい回転円板、従って導体筌がピッチ（３６０°／Ｎ）だけ更に回転さ れ、導体材料が導体の長さ方向にＳ−領域長Ｈだけ更に引っ張られ、再び停 止され、二重工具が次の部分導体の範囲に搬送され、次の曲げ動作が行われ る。
５．曲げられた部分導体の位置の微細制御は、部分導体がスリットガイド円板１ ５を通過した後でかつ一体の構造２５に纏め上げられる直前に、個々の固定 ガイド部材１８の特別な配置により、仮想円軌道（筌断面）に均一な配分を バケットコンベヤ状の軌道配分に移行させ、その場合その他に部分的に部分 導体の位相の進み又は遅れを分配軌道上に強制させる目的で行われる。これ は、複合導体断面において各々最上の又は最低の部分導体の確実な側面の交 替を準備するために必要である。
６．曲げられかつその断面状態において予め整理された部分導体３jを複合超伝 導導体の構造２５に纏め又は結合することは、この場合、歩進プロセスのテ ンポで、単純な転位チャネル１９で行われる。これに対し、従来の複合導体 のための従来の装置では、レーベル転位プロセスの複数の部分工程が局部的 に纏められて連続的に進行する。即ち部分導体の保持、曲げ、転位及び結合 が唯一の総合装置、所謂「転位ヘッド」における狭い空間で行われる。該転 位チャネル１９の断面の内法寸法は、ほぼ複合超伝導導体の求める外形寸法 に一致し、その長さは複合導体の幅の１０〜２０倍に相当する。このチャネ ルの全入口縁部はその入口範囲がやや丸められている。
７．部分導体からなる導体構造２５の送りは、送りユニット２０（構造の捕捉− 引張り及び走行−開放−構造を離した返送）によりガイド通路直後に全体装 置の始端における回転円板上の繰り出しスプールの予め設定されたブレーキ 力との交互作用で行われる。
８．テーピングは、この装置のテーピング範囲２１において、この場合も歩進工 程のテンポで、停止状態において、送りユニットの直後で行われる。導体複 合体の弛みと外形確保との間の必然的な妥協は特別の手段により行われる。 例えば導体スタックは、一時的に引張り片をこのスタックの上に置くことに よって太くし（幅は図１の部分導体の約１．７倍、長さは曲げ領域の約１． ５倍）、それから包帯状に巻き込み、最後に再び引き抜く。この場合、好ま しくはガラス織布テープで「隙間を空けて」、即ちテープの巻きの間に間隔 を空けて巻くのがよい。引張り片の厚さ、テープ間隔及びテーピングの際の 締め付け力を選択することにより複合体の弛みの程度を調整することができ る。例えば、１３本のＨＴＳ標準帯導体からなる複合超伝導導体の構造２５ のテーピングのために、６ｍｍ幅で、０．３５ｍｍ厚のホスタファンからな る引張り片と、６ｍｍ幅で、０．１ｍｍ厚のガラスシルクからなる織布テー プが各々９ｍｍ間隙で巻回される。
上記の製造方法の重要な特徴は、工業的な転位設備の部分としての機械 的なテーピング方法にも転用できる。
９．纏め上げられた複合超伝導導体２は「自由進行区間」２２（例えば対応する ローラー）を介して、装置１０の終端にある巻き取り機２３の形の巻き取り 装置に供給される。この巻き取り機は、一定の全体導体引張り力に、前進、 後退又は停止時にも同じように設定されている。自由進行区間は、複合導体 の伸張した状態から巻回（屈曲）された状態に、回避し難い移行部により生 ずる、複合体内部における局部的な部分導体のずれを補償するために必要で ある。従来の転位導体の製造プロセス又は巻回状態から、このような自由進 行区間は少なくとも全転位長に一致せねばならないことは公知である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による全転位複合超伝導導体の構造を示す。
【図２】 本発明による全転位複合超伝導導体を製造する際における曲げ半径に関係した曲げ領域長及び残っている曲げ半径を図表で示す。
【図３】 図２の図表を基礎とする製造のための曲げ半径を示す。
【図４】 図２の図表を基礎とする製造のための曲げ半径を示す。
【図５】 本発明による複合導体の製造装置を示す。
【符号の説明】
本発明は、レーベルバー原理に従って構成された複数の部分導体を備え、この部分導体が各々
・幅Ｂを持つ少なくともほぼ矩形状の断面と、
・常伝導材料からなるマトリクス及び／又は被覆に配置された高Ｔc超伝導材料 からなる少なくとも１つの導体芯と、
・幅Ｂの平面における側面方向の曲がりに関して所定の曲げ半径Ｒ及び所定の曲 げ領域長Ｈとを
備え、少なくともほぼ矩形状の断面を持つ完全転位複合超伝導導体に関する。この種複合超伝導導体は、「IEEE Transactions on Applied Superconductivity」、第９巻第２号（１９９９年６月）、第１１１〜１２１頁に開示されている。本発明は、更に、この複合超伝導導体の製造装置と使用方法に関する。
【０００２】
高Ｔc超伝導導体（以下ＨＴＳ導体と略称する）を、例えば変圧器巻線や電機巻線を実現すべく、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、損失の少ない導体を必要とする。しかし、現在、自己磁界７７Ｋにおいて約５０〜１００Ａeffの電流容量を持つ、小断面積のＨＴＳ帯導体しか提供されていない。その上、これら帯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関係する。
【０００３】
これらの理由から、技術的に使用可能な大電流超伝導導体は多数の個々の平行な帯導体から、例えばドイツ特許第２７３６１５７号明細書に開示の所謂複合導体の形に構成している。なお、その場合、できるだけ連続的で使用に適した構成を得ようとしている。商用周波数（一般に６０Ｈｚ迄）の枠内で交流電流に適用するため、その他に、以下で部分導体或いは個別導体と呼ぶ、この種複合導体の帯導体は、全断面に均一な電流分布、従って僅かな交流損失を保証すべく、相互に絶縁されかつ組織的に転位、即ち捩られねばならない。
【０００４】
大きな交流電流容量を持つ転位複合導体は原理的に公知である。それら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、銅からなる部分導体を備えた、例えばレーベル、 シュレンク或いは格子状バーの形の、所謂「導体バー」として、
・変圧器或いはリアクトル用の、銅からなる部分導体を備えた所謂「ドリル導体 」として、或いは
・例えばＣｕ中のＮｂＴｉのような金属超伝導導体からなる部分導体を備えた所 謂転位「平或いは丸導体」として（前述のドイツ特許第２７３６１５７号明細 書参照）。
【０００５】
交流電流容量を上げるためにＨＴＳ導体を転位させることも公知である。これに関する具体的な設計上の考察及び構造上のヒントは、以下のとおりである。
・丸形或いはほぼ丸形のＨＴＳ部分導体を単線或いは複線に連続的に転位する（ 例えば"IEEE Transaction on Applied Superconductivity"、第7巻第２号（ １９９７年６月）、９５８〜９６１頁に記載の所謂「ラザーフォードケーブル 」を参照）、
・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により連続的な転位効果を達成する（所謂「ピッチ調節 」、例えば国際特許出願公開９６／３９７０５明細書参照）、
・所謂「インサイチュー」転位、即ち、例えば変圧器巻線の、巻芯に直接巻回製 造する際に逐一転位する（例えば"IEEE Transaction on Applied Super cond uctivity"、第７巻第２号（１９９７年６月）、２９８〜３０１頁参照）。
【０００６】
最初に挙げた文献"IEEE Transaction on Applied Superconductivity"に、レーベルバー方式に従った、ＨＴＳ部分導体からなる完全転位複合超伝導導体の原理的構造が示されている。この複合超伝導導体は、その場合、例えばＮｂＴｉのような古典的な超伝導体からなる部分導体で実現されるコンセプトに従った部分導体から構成されている。しかしながら、このような構造では全体の複合導体の電流容量が比較的小さいものしか達成されないことが判っている。
【０００７】
本発明の課題は、それ故、最初に挙げた特徴を備えた複合超伝導導体を、従来の技術水準に比較して高い電流容量を持つよう構成することにある。しかもその際、その個々の帯状部分導体の本来の電流容量を最適に利用し、部分導体の機械的敏感性及び電気的異方性から生ずる危険が最小になるようにするものである。更に、この複合超伝導導体を殆ど任意の長さに製造可能とするものである。
【０００８】
この課題は、本発明によれば、各部分導体に対してその曲げ半径Ｒがその幅Ｂの１００倍より大きく、曲げ領域長Ｈがその幅Ｂの２０倍より大きいと共に、この部分導体相互を固定する手段を設けることにより解決される。
【０００９】
本発明による対策では、部分導体として特に完全絶縁され、完全転位された複数のＨＴＳ帯導体からなり、レーベルバー方式による複合超伝導導体の構造において、この部分導体の必要な連続的な屈曲又はエッジ方向の曲がり及び平面曲がりが臨界的な曲げ半径値を下回ってはならないという考慮から出ている。曲げ半径と曲げ領域長を、部分導体の幅に関連して本発明のように同時に選択することで、レーベルバー構造を形成すべく曲げる際、即ち所謂「レーベル転位する」際に、部分導体の超伝導導体芯の損傷を回避できることが認められている。その場合、上記の２つの量を本発明のように選択すると、レーベル転位の際に必要な曲げに対する曲げ半径が平側面についてもそのままで維持され、通常の量関係にある。かくして、その場合、各部分導体は全体の複合超伝導導体の電流容量に対して加算的に高度に貢献する。曲げ領域長Ｈは古典的な超伝導導体から公知の、上記の従来技術の構造の場合よりもはるかに大きいので、比較的弛やかな結合が生じ、この結果部分導体相互、従って全体の複合導体を固定する手段が必要となる。この固定手段は複合超伝導導体のその後の加工の観点で選ばねばならない。
【００１０】
本発明による複合超伝導導体は、それ故、電流容量が大きくかつ特に大きな導体長に関して大量生産の可能性がある点で優れている。
【００１１】
本発明の複合超伝導導体の有利な構成例を、請求項１以下の請求項に示す。
【００１２】
本発明による複合超伝導導体の電流低下の危険を最小にすることを考慮し、部分導体に対し曲げ半径Ｒを少なくともその幅Ｂの１５０倍及び／又は曲げ領域長Ｈをその幅Ｂの少なくとも５０倍にするのが有利である。
【００１３】
原理的には、本発明による複合超伝導導体の構造に対し異なる部分導体、例えば超伝導材料を備えたもの及び備えていないもの及び／又は異なる断面のものを使用できる。しかしながら、複合超伝導導体断面の全体にわたる均一な電流分布を考慮して、同じ構造を持つ部分導体で統合するのが有利である。
【００１４】
本発明による複合超伝導導体に関し、固定手段として部分導体相互の接着或いはロウ付けが挙げられる。特に、複合超伝導導体に充分な可撓性を与えるため、テーピング或いは編組を行うのがよい。その場合、必要に応じ後で行われる樹脂含浸或いは冷却媒体の浸入を改善することを考慮して、テーピングや編組は、特にそれに応じて透過性又は吸収性に構成される。
【００１５】
この複合超伝導導体は、各々その幅Ｂと各導体厚さＤとの比が５〜４０、特に１０〜２０の部分導体で構成するとよい。このような部分導体は、商業的にも生産されており、上記の最小値を維持しながら転位するのに特に適する。
【００１６】
本発明による複合超伝導導体を使用する際、交流電流損失の低減を考慮して、この複合超伝導導体は、その少なくとも幾つかを相互に電気的に絶縁された部分導体で構成するとよい。
【００１７】
従って、このような複合超伝導導体は、特に例えば変圧器や電気機械のような交流電流で動作する電力用機器に使用される。
【００１８】
本発明による複合超伝導導体をほぼ連続的に製造するために、個々の部分導体を繰り出しスプールから曲げ範囲及び案内範囲を経て転位領域で、導体断面状態が少なくともほぼ一定に、例えば水平になるように筌状に集める手段と、この転位された構造を送りユニットと固定締め付け範囲を経て巻き取り機に移送する手段とを備えた装置が提案される。固定締め付け範囲で特に導体構造のテーピングや編組が行われる。このような装置によりＨＴＳレーベル転位導体製造の基本的条件が満たされる。特に、ＨＴＳ導体に典型的な非常に長い曲げ領域の回避し難いことに対しては、「位置制御」、「保持」、「曲げ」、「転位」及び「統合」又は「結合」工程を機能的に分離し場所的に直列に配分することで対処する。
【００１９】
この装置の繰り出しスプールは、回転円板に回転可能に固定するとよい。
【００２０】
この装置で、部分導体の転位領域への供給は、回転するスリットガイド円板により行われる。転位領域には、その場合、固定のガイド部材及び転位チャネルを設けるのがよい。
【００２１】
本発明を、以下に、図面に関連して更に説明する。各図において同じ部分には同一の符号を付けてある。
【００２２】
図１は、全体を２で示す複合超伝導導体の一部を斜視図で示す。この導体２は、レーベルバー方式に従って構成された複数の部分導体３j（ｊは部分導体の数で１≦ｊ≦Ｎ）を含む導体のそれ自体公知の構成から出発する。レーベル転位の基本文献として、ドイツ特許第２７７０１２号明細書を参照する。Ｎ個の部分導体３jは、その場合、Ｎ＋１以上のラスタスペースを必要とする。図１において Ｆ 平面曲げ領域、
Ｇ1、Ｇ2 曲げていない直線部分、
Ｈ エッジ方向曲げ領域、
Ｐ 周期的エッジ方向曲げ領域間隔、
Ｖ 完全転位長、
Ｄ 部分導体厚、
Ｂ 部分導体幅
を意味する。
【００２３】
上記は、その場合、互いに次のような量的関係がある。即ち、
Ｐ＝Ｈ＋Ｇ1＋Ｆ＋Ｇ2 及び
Ｖ＝Ｎ×Ｐ（×は乗算記号）
【００２４】
図１は、更に、この複合超伝導導体２の一部の斜視上面図と、この上面図の個々の部分導体（３j）の一部を示す。
【００２５】
部分導体３jは矩形状断面を持つ公知の帯状単芯又は多芯ＨＴＳ導体であり、好適には全部分導体が同一に形成され、各部分導体は幅Ｂを持っている。部分導体は、特に一般的に以下の特徴と性質を備えた公知の構成である。即ち、
・配置と構造：部分導体は非常に薄く（代表的には０．２〜０．５ｍｍ、幅は約 ４ｍｍ迄）、小さい平断面（代表的には１ｍｍ2）を持つ。種々ある構成例の 中、ここで目的とする適用範囲に対しては、特に所謂多数フィラメント超伝導 導体（多数の超伝導導体芯を備える）が挙げられる。即ち、超伝導セラミック 材料が細いフィラメントの形で特に銀や銀合金からなるマトリクスに埋め込ま れる。このフィラメントは、その場合、特に交流電流損失を低減すべく撚って あるとよい。超伝導材料としては（Ｂｉ、Ｐｂ）2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx（ 所謂「ＢＰＳＣＣＯ−２２２３材料」）の型のＨＴＳ多元化合物が好適である 。銀マトリクスは、例えば銀−マグネシウム合金からなる付加的な薄いスリー ブで補強するとよい。図２〜４に基づく以下の考察で基礎とした、これに相当 する具体的なＨＴＳ帯標準導体は、"IEEE Transaction on Applied Supercond uctivity"、第９巻、第２号（１９９９年６月）２４８０〜２４８５頁から公 知である。この導体はＡｇＭｇスリーブで包囲されたＡｇマトリクスを持ち、 その中にＢＰＳＣＣＯ−２２２３材からなり互いにツイストされた５５本の導 体芯又はフィラメントが埋め込まれている。その外形寸法（絶縁を除く）は３ ．６×０．２６ｍｍ2である。この導体は更に０．０３〜０．０５ｍｍの厚さ を持つ、例えばルプロン製の絶縁物で包囲されている。
・塑性変形に対する機械的感度：伸長、曲げ或いは捻りにおける許容縁部繊維伸 びは、臨界曲げ半径が代表的に５０ｍｍ（平面側）又は８００〜１０００ｍｍ （エッジ方向）において≦０．０２％である。
・異方性：電流容量に著しい磁界方向依存性が観察される。例えば０．３Ｔ及び ７７Ｋにおいて搬送可能な電流は、磁界方向を導体平面から平らな導体側に対 して垂直な方向に回転するときに、約５分の１に低下する。
【００２６】
図示のＨＴＳ大電流複合導体２は以下の主要特徴を備えている。即ち、
１．この複合導体は複数の、好ましくは完全絶縁されたＨＴＳ帯導体を部分導体 ３jとして構成されている。複合超伝導導体の所望の定格電流ＩVLnに対し て定格電流ＩHTSnを持つ部分導体の必要数Ｎは単純に商ＩVLn／ＩHTSnとし ては生じない。この数は多くの場合明らかに大きく、具体的には材料に固有 の非直線のＩ（Ｂ）曲線によってのみそして特定の適用例に対して決定され る。ＩHTSnは自己磁界において伸張された帯導体に対して定められており、 これに対しＩVLnは、その適用の場における局部的磁界値に対して定められ ているからである。外部磁界なしで伸張された複合導体の場合、各々隣接す る部分導体によって高められた、各１つの部分導体のその場の磁界により既 にその電流容量の低減が起る。
２．部分導体３jは複合導体全断面内で組織的にかつ連続的に転位される（レー ベルバー原理：交互のエッジ方向及び平面曲げによる間断のない曲げ）。
３．転位の際、部分導体は純粋な横方向のずれしか許されないが、撚り線とは異 なり、回転、ねじれ又は傾斜をしていない。これにより、部分導体の整列は 電流容量を著しく低下する最も好都合な磁界方向に依存する（異方性）。
４．上述の部分導体曲げに対しては、本発明による所定の値の範囲内で導体固有 に求められる両横方向に異なる臨界曲げ半径が基準となる。この値を下回る と当該ＨＴＳ帯導体の電流容量は低下する。しかしこの臨界半径は、各々断 面の同じ銅帯の場合と比べ約１００倍大きい。図２の図表には部分導体とし て使用され、その超伝導導体フィラメントが伸び過ぎ、従って電流低下を生 じた公知のＨＴＳ標準帯導体の曲げ半径Ｒの臨界範囲（８００ｍｍ以下）を 十字ハッチングで示す。その他に、図３に示すように、公知のＨＴＳ導体帯 は曲がりの後２倍に伸びており、即ち、適用された曲げ半径Ｒ（工具におけ る）と永続的なそれより大きい曲げ半径ｒ（複合超伝導導体における）との 間を区別せねばならない。一般に得られるＨＴＳ標準帯導体の実際の曲げ特 性に対する代表的な値を図２の図表に示す。
５．更に図２の図表から、図３、４で定義した量Ｒ、ｒ、ｋ（側面的なほぼｓ状 の屈曲又は曲がりに対する）及びＨを基礎として明らかにしているように、 基本となった具体的なＨＴＳ標準帯導体においては許容曲げ半径Ｒ及びｒに 対するＨＴＳに代表的な高い値がＮ個の部分導体の比較的長く伸びた移行又 は曲げ領域Ｈ（＝部分導体幅Ｂの平面における側面方向の曲がりに関する曲 がり領域長）で補正される。これは、場合によっては、複合超伝導導体にお いて余りに大きい曲げ領域間隔Ｐ及び大きな完全転位長Ｖ＝Ｎ×Ｐをもたら し、これらは例えば数Ｎのように複合超伝導導体の他のパラメータにおいて 考慮せねばならない。
６．上記５．において言及した部分導体の長く伸張した曲げ領域は、全導体にお いて先ず緩やかな結合と断面許容誤差を維持する際に大きな問題を結果として 持っている。両者は、巻線の製造に対してもそれ自体困難を生ずる。これに対 しては適当な固定締め付け、特に個々の部分導体からなる構造に対するテーピ ング或いは編組の形により対処せねばならない。テーピングは、狭い許容値誤 差のために充分強固に、しかし同時にまた、複合超伝導導体を一般的に曲げる 際、例えば巻線を製造する際に部分導体の一様な内部の補償の動きを可能にす るために、充分緩く設けられる意味で適当である。このテーピングには、吸収 性の織布を使用するのが好ましい。多くの適用例においてその巻回は、巻線が 運転及び電流力に対して強固にされるようにするために、樹脂で含浸されるか らである。
７．上述の内部補償の動きにおいては、部分導体相互の絶縁表面の大きな平坦性 及び平滑性が付加的に大きな役割をしており、即ち、適当な絶縁物質の選択 を考慮せねばならないという要求が課せられている。滑り剤を挿入するのは 余り好ましくない。これは絶縁性を損ない、仕上がった巻線に時として適用 される樹脂含浸に害があるからである。
【００２７】
本発明による複合超伝導導体の製造は、図５に側面図で模式的に示す装置で良好に行える。全体を１０で示す装置は特に以下の部分、即ち部分導体３jのための繰り出しスプール１２、１３を備え、軸Ａを中心に回転可能な回転円板１１、二重曲げ工具１４、回転するスリットガイド円板１５、転位領域１７において固定のガイド部材１８及び転位チャネル１９、送りユニット２０、固定締め付け範囲２１、自由進行区間２２並びに巻き取り機２３を含む。
【００２８】
以下、この装置のこれら部分の機能を、水平方向の材料の流れに沿って説明する。即ち、
１．帯状のＨＴＳ部分導体３jをプロセスへの投入は個別に制動され繰り出しス プール１２、１３を介して、即ち後に形成される複合超伝導導体のＮ個の部 分導体の場合はＮ個の繰り出しスプールを介して行われる。これらは水平方 向（プロセスの流れ方向）に配置された大きな回転円板１１に各々揺動かつ 回転可能に、しかもその軸位置がプロセス方向に対し横方向に回転円板の回 転の際にもまた帯材料が抜き取られる際にも常に維持されるよう固定されて いる。
２．部分導体３jは、大きな回転円板の回転により、筌状に、即ち仮想円錐表面 に、本来のレーベル転位領域１７に供給される。この領域の前にはＮ個の個 々のスリットガイドを備え、その横軸が常に水平に保持された、同じ回転数 で回転するガイド円板１５が設けられ、これにより部分導体が正確な前進方 向を取り、レーベル転位領域に進むようにしている。
３．回転円板１１とスリットガイド円板１５の間で、曲げ（所謂「エッジ方向の Ｓ状曲げ領域」）が伸張された、特別な工具１４で作られるが、本来のレー ベル転位のはるか前で行われる従来の方法とは異なる。
４．これは歩進プロセスで、しかも部分導体毎に行われる。即ち、各々間断のな い全体プロセスにおいて二重工具１４が曲げ動作を行う１つの部分導体への 所謂導体「筌」の範囲に搬送され、この二重工具は筌範囲から再び搬出され 、大きい回転円板、従って導体筌がピッチ（３６０°／Ｎ）だけ更に回転さ れ、導体材料が導体の長さ方向にＳ−領域長Ｈだけ更に引っ張られ、再び停 止され、二重工具が次の部分導体の範囲に搬送され、次の曲げ動作が行われ る。
５．曲げられた部分導体の位置の微細制御は、部分導体がスリットガイド円板１ ５を通過した後でかつ一体の構造２５に纏め上げられる直前に、個々の固定 ガイド部材１８の特別な配置により、仮想円軌道（筌断面）に均一な配分を バケットコンベヤ状の軌道配分に移行させ、その場合その他に部分的に部分 導体の位相の進み又は遅れを分配軌道上に強制させる目的で行われる。これ は、複合導体断面において各々最上の又は最低の部分導体の確実な側面の交 替を準備するために必要である。
６．曲げられかつその断面状態において予め整理された部分導体３jを複合超伝 導導体の構造２５に纏め又は結合することは、この場合、歩進プロセスのテ ンポで、単純な転位チャネル１９で行われる。これに対し、従来の複合導体 のための従来の装置では、レーベル転位プロセスの複数の部分工程が局部的 に纏められて連続的に進行する。即ち部分導体の保持、曲げ、転位及び結合 が唯一の総合装置、所謂「転位ヘッド」における狭い空間で行われる。該転 位チャネル１９の断面の内法寸法は、ほぼ複合超伝導導体の求める外形寸法 に一致し、その長さは複合導体の幅の１０〜２０倍に相当する。このチャネ ルの全入口縁部はその入口範囲がやや丸められている。
７．部分導体からなる導体構造２５の送りは、送りユニット２０（構造の捕捉− 引張り及び走行−開放−構造を離した返送）によりガイド通路直後に全体装 置の始端における回転円板上の繰り出しスプールの予め設定されたブレーキ 力との交互作用で行われる。
８．テーピングは、この装置のテーピング範囲２１において、この場合も歩進工 程のテンポで、停止状態において、送りユニットの直後で行われる。導体複 合体の弛みと外形確保との間の必然的な妥協は特別の手段により行われる。 例えば導体スタックは、一時的に引張り片をこのスタックの上に置くことに よって太くし（幅は図１の部分導体の約１．７倍、長さは曲げ領域の約１． ５倍）、それから包帯状に巻き込み、最後に再び引き抜く。この場合、好ま しくはガラス織布テープで「隙間を空けて」、即ちテープの巻きの間に間隔 を空けて巻くのがよい。引張り片の厚さ、テープ間隔及びテーピングの際の 締め付け力を選択することにより複合体の弛みの程度を調整することができ る。例えば、１３本のＨＴＳ標準帯導体からなる複合超伝導導体の構造２５ のテーピングのために、６ｍｍ幅で、０．３５ｍｍ厚のホスタファンからな る引張り片と、６ｍｍ幅で、０．１ｍｍ厚のガラスシルクからなる織布テー プが各々９ｍｍ間隙で巻回される。
上記の製造方法の重要な特徴は、工業的な転位設備の部分としての機械 的なテーピング方法にも転用できる。
９．纏め上げられた複合超伝導導体２は「自由進行区間」２２（例えば対応する ローラー）を介して、装置１０の終端にある巻き取り機２３の形の巻き取り 装置に供給される。この巻き取り機は、一定の全体導体引張り力に、前進、 後退又は停止時にも同じように設定されている。自由進行区間は、複合導体 の伸張した状態から巻回（屈曲）された状態に、回避し難い移行部により生 ずる、複合体内部における局部的な部分導体のずれを補償するために必要で ある。従来の転位導体の製造プロセス又は巻回状態から、このような自由進 行区間は少なくとも全転位長に一致せねばならないことは公知である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による全転位複合超伝導導体の構造を示す。
【図２】 本発明による全転位複合超伝導導体を製造する際における曲げ半径に関係した曲げ領域長及び残っている曲げ半径を図表で示す。
【図３】 図２の図表を基礎とする製造のための曲げ半径を示す。
【図４】 図２の図表を基礎とする製造のための曲げ半径を示す。
【図５】 本発明による複合導体の製造装置を示す。
【符号の説明】
Claims (14)
- レーベル転位を行うべく構成された複数の部分導体を備え、
この部分導体が各々
・幅Ｂを持つ矩形状の断面と、
・常伝導材料からなるマトリクス又は被覆内に配置された高Ｔc超伝導材料からなる少なくとも１つの導体芯と、
・幅Ｂの平面における側面方向の曲がりに関して所定の曲げ半径Ｒ及び所定の曲げ領域長Ｈとを
備えた矩形状の断面を持つ完全転位複合超伝導導体において、
各部分導体（３j）に対して
・曲げ半径Ｒが幅Ｂの１００倍より大きく、
・曲げ領域長Ｈが幅Ｂの２０倍より大きく、
しかも部分導体（３j）相互の固定のための手段を備えることを特徴とする完全転位複合超伝導導体。 - 部分導体（３j）が幅Ｂの少なくとも１５０倍の曲げ半径Ｒを持つことを特徴とする請求項１記載の導体。
- 部分導体（３j）が幅Ｂの少なくとも５０倍の曲げ領域長Ｈを持つことを特徴とする請求項１又は２記載の導体。
- 同一構造の部分導体（３j）から構成されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の導体。
- 固定手段が部分導体（３j）相互の接着又はロウ付けの形で或いは好ましくはテーピング又は編組によって形成されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の導体。
- 含浸材または冷却媒体に対し透過性又は吸収性のテーピング又は編組を備えることを特徴とする請求項５記載の導体。
- 部分導体（３j）の幅Ｂと導体厚さＤの比が５〜４０、好ましくは１０〜２０であることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の導体。
- 部分導体（３j）の少なくとも幾つかが相互に電気的に絶縁されたことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の導体。
- 請求項８に記載の複合超伝導導体を交流電流で動作する電力機器において使用することを特徴とする複合超伝導導体の使用方法。
- 変圧器又は電気機械において使用する請求項９記載の方法。
- 個々の部分導体（３j）を繰り出しスプール（１２、１３）から曲げ範囲及び案内範囲を経て転位領域において、導体の断面内における位置が一定であるように捕魚筌状に集める手段と、転位された構造（２５）を送りユニット（２０）及び前記固定のための手段である締め付け範囲（２１）を介して巻き取り機（２３）に移送する手段とを備えることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の複合超伝導導体の製造装置。
- 繰り出しスプール（１２、１３）が回転円板（１１）に回転運動可能に固定されたことを特徴とする請求項１１記載の装置。
- 部分導体（３j）の転位領域（１７）への供給が、回転するスリットガイド円板（１５）により行われることを特徴とする請求項１１又は１２記載の装置。
- 転位領域（１７）が、固定ガイド部材（１８）と転位チャネル（１９）を備えることを特徴とする請求項１１から１３の１つに記載の装置。
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