JP2012079694A - 超伝導電気導体の製造方法及び超伝導導体 - Google Patents

Abstract

【課題】直流送電及び交流送電に対して、全断面に均一な電流分布を示す、超伝導電気導体の、簡単に実施することのできる製造方法を提供する。
【解決手段】超伝導材料としてセラミックス材料を備えた、超伝導電気導体を製造する製造方法である。超伝導性セラミックス材料を塗布した支持体の、複数の平坦なストリップ（１）の周りに、金属性帯状体（３）を長手方向に巻いて、長手方向に走るスリットを備えた管を成形し、該金属性帯状体の、該スリットに沿って存在するエッジを互いに溶接する。複数のストリップを、個々のストリップが、該導体の延長方向において、該導体の断面内の異なった位置を占めるように、恒常的に位置交換しながら該管へ供給する。溶接プロセスによって閉じられた管（９）を、すべての、管内に存在するストリップを覆う領域に対応する内径まで小さくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導材料としてセラミックス材料を備えた、超伝導電気導体の製造方法及び超伝導導体に関する（特許文献１）。

本発明による方法によって製造される超伝導電気導体は、その超伝導性セラミックス材料が、十分に低い温度で超電導状態に遷移する合成材料から構成される。そのような材料から構成された導体の電気抵抗は、所定の電流強度を超えない限り、十分に冷却した場合にゼロである。適切なセラミクス材料は、たとえば、ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸化物）またはＲｅＢＣＯ（希土・バリウム・銅・酸化物）、特にＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅・酸化物）である。そのような材料を超伝導状態にするための、十分に低い温度は、たとえば、６７Ｋと１１０Ｋとの間である。適切な冷媒は、たとえば、窒素、ヘリウム、ネオン、及び水素またはこれらの物質の混合物である。

特許文献２は、帯状の、高温超電導体と呼ばれる電気導体の、異なった製造方法を記載している。ＢＳＣＣＯ超伝導体の場合には、たとえば粉末状のＢＳＣＣＯ材料を、銀からなる管に満たし圧縮する。管の機械的な変形及びそれに続く熱処理（アニーリング）によって超伝導状態が達成される。ＹＢＣＯ超伝導体の場合には、たとえば、基板としての、金属からなる２軸テクスチャ帯状体上に、最初に少なくとも一つのバッファ層を塗布し、その上に引き続いてＹＢＣＯ材料を塗布する。２軸テクスチャ基板は、たとえば、ニッケル、銅、鉄またはこれらの材料の合金からなる。バッファ層として、たとえば、銅または銀を利用する。ＹＢＣＯ材料は、最後に同様に熱処理によって、超伝導状態にされる。上述のように製造された超伝導導体は、すでに述べたように、電気ケーブル並びにモータ及び電磁石用の巻線に有利に利用することができる。しかし、該超伝導導体は、帯状形状のために、一方向にしか曲げることができない。

上述の特許文献１による方法によれば、特別の方向に曲げることを維持する必要がなく、従来のケーブルのように加工することのできる円形の超伝導導体を製造することができる。この公知の方法によれば、帯状体として存在する、テクスチャ金属製基板を、最初に、その長手方向に、円形断面を備えた、細長い金属性支持体の周りに巻いて、長手方向に伸びる、スリットに沿って存在するエッジを備えたスリット管へ成形する。引き続き、スリットの溶接によって金属管を閉じる。その後、閉じた管を、支持体の構造まで小さくする。超伝導性セラミックス材料を管の周りに塗布し、最後に熱処理を実施する。この方法は実績がある。しかし、この方法の実施には、比較的高いコストが必要とされる。

ＥＰ１９１６７２０Ｂ１ ＵＳ５７３９０８６

本発明は、直流送電及び交流送電に対して、全断面に均一な電流分布を示す、超伝導電気導体の、簡単に実施することのできる製造方法を提供するという課題に基づいている。

この課題は、本発明にしたがって、
超伝導性セラミックス材料を塗布した支持体の、複数の平坦なストリップ（１）の周りに、金属性帯状体（３）を長手方向に巻いて、長手方向に走るスリットを備えた管を成形し、該金属性帯状体の、該スリットに沿って存在するエッジを互いに溶接し、
複数のストリップを、個々のストリップが、該導体の延長方向において、該導体の断面内の異なった位置を占めるように、恒常的に位置交換しながら該管へ供給し、
溶接プロセスによって閉じられた管（９）を、すべての、管内に存在するストリップを覆う領域に対応する内径まで小さくすることによって解決される。

この方法を使用する際には、超伝導性材料を塗布した支持体を備えた、あらかじめ製造された帯状体を切断し、管に収納する必要がある。管は、特許文献１から公知の方法によって、長手方向に延伸する金属帯状体から成形され、溶接されて閉じた管となる。閉じた管の内側のサイズを、最終的に、該管が、複数のストリップに圧力をかけることなく、複数のストリップの全体をできるだけきっちり包むように、小さくする。超伝導性材料は、完成された導体内において、管内に、機械的損傷から守るように収納される。本方法によって製造した導体は、特別の予防措置をとることなく使用し、標準の設備で製造することができる。管へ供給する際の、ストリップの恒常的な位置交換によって、交流操業の場合に知られる、導体断面内の電流分布に関する電流排除の効果（表皮効果）は中和される。その理由は、本方法の使用により、交流運転の場合にも、すべてのストリップを電流が通過するからである。したがって、管内に超伝導性材料を備えた多数のストリップが存在するので、導体は、交流運転の際に、対応するケーブル内においてわずかな交流損失しか生じない。

有利には、ストリップに加えて、ストリップとともに管の内側のサイズを満たす充填材を管に入れる。そのような材料は、主に、低い温度で溶融する金属であり、液体状態または高粘度状態で、まだ閉じられていない管に満たされる。充填材は、完成した導体において、固化した状態で超伝導性材料を備えたストリップを囲み、その結果、従来の接触エレメントを備えた他の電気導体との、該導体の電気的接続が可能となる。

本発明による方法及び該方法によって製造された導体は、図面にしたがって実施例として記載されている。

本発明による方法を実施するための設備の概略図である。 線II-IIに沿った図１の断面を拡大した図である。 導体を、線III-IIIに沿った図１の断面において拡大した図で示す図である。 図２および図３に対して変形した断面を備えた導体を示す図である。 一実施形態として、図１による設備の詳細を示す図である。 他の実施形態として、図１による設備の詳細を示す図である。

本発明による導体には、超電導材料として、一般的にはＲｅＢＣＯ、とりわけＹＢＣＯが利用される。ＹＢＣＯは、以下の記述において、特別のＲｅＢＣＯ材料として考慮される。

表面にＹＢＣＯを析出させた支持体を備えた帯状体の製造方法は、たとえば、上述の特許文献２に開示されている。このような帯状体は市販されている。帯状体の幅は、一例として、４ｃｍから１０ｃｍである。

本発明による方法を実施するために、予め製造された、ＹＢＣＯを塗布した帯状体を、一例として、０．２ｍｍから４ｍｍ幅のストリップに切断する。以下で使用される「ストリップ」という語は、ＹＢＣＯを塗布した支持体からなる、上述のように細長く平坦なストリップである。これらのストリップは、最初に１本の帯状体から分割し、巻枠に巻き取ることができる。また、ストリップを分離プロセスに接続して直接さらに処理することもできる。

超伝導導体を製造するには、有利には、最初に、超電導材料を備えた多数の平坦なストリップの周りに、金属帯状体を長手方向に巻いて、カバーを形成し溶接する。それにより、恒常的な位置交換は実施されない。このようにして、多数のストリップを含む丸いワイヤが作られる。導体の断面におけるストリップの恒常的な位置交換は、所定のストローク長を備えた、上述のような予め製造された多数のワイヤを、解撚 （Rueckdrehung）をせずに一緒に束ねることによって達成される。さらに、その周りに丸いワイヤを束ねる、中心核エレメントを計画することもできる。結束エレメントとしての丸いワイヤの解撚を実施しない故に、結果として配置の断面におけるストリップの位置交換が、導体に対して達成される。この結果、全てのストリップは、導体の長さにわたる平均値で、導体の中心から、同じ平均距離を有する。このことによって、ストリップ並びに導体において、ＡＣ電流の等分配が達成される。

本発明による方法は、超伝導材料を備えたストリップを供給するための、実施可能な装置を概要として示す図５及び図６にしたがって、一例として、以下のように実施することができる。

多数のストリップ１は、図示しない搬送装置によって矢印２の方向へ搬送される。さらに、ストリップ１は、ガイド装置ＦＥに入る。ガイド装置ＦＥの作動方法は、さらに図５及び図６に基づいて説明する。ガイド装置ＦＥにおいて、ストリップ１の、恒常的な位置交換が行われる。ガイド装置を離れた後で、ストリップ１の周りに、ストリップ１と同じ搬送装置によって巻枠から引き出すことが可能な金属製帯状体３を、２個のローラ５及び６によって示される成形装置７において、走行させながら巻いて、長手方向に走るスリットを備えた管を形成する。該スリットに沿って、金属製帯状体３のエッジが並んで存在する。該スリットは、その後、溶接装置８によって溶接される。このように閉じた管９は、図２に示される。ストリップ１は、管９の下部領域に存在し、管９は、上部領域において溶接継ぎ目１０で密封される。

金属製帯状体３は、たとえば、銅、アルミニウム、特殊鋼、または、たとえば青銅のような、これらの材料の合金からなる。

搬送方向（矢印２）に続く延伸装置１１において、管９を、ストリップ１に圧力をかけずにストリップ１にかろうじて触れるように、管９内にあるすべてのストリップ１を覆う内径まで小さくする。上記に関連して、完成した超伝導導体１２が図３に開示されている。

まだ閉じていない管に、供給装置１３によってさらに充填材を満たすことができる。充填材として、特に、低融点金属が利用される。低融点金属は、液体状態または高粘度の状態で管に満たされ、室温及びとりわけ、超伝導性を生成するのに用いられる低い温度で固体となる。そのような金属は、たとえば、約７３℃から７７℃で溶融するウッド合金または、約９５℃である融点を有するローズ合金である。

導体９または導体１２は、図２及び図３にしたがって円形に製造される。しかし、導体は、円形とは異なる断面、たとえば、多角形の断面形状を有することもできる。その際の断面形状は、有利には、延伸装置１１において生成することができる。図４に記載された好ましい実施形態において、導体１２は、互いに向き合い、傾斜している２側面を備えたほぼ台形断面を有する。このような導体は、多数のこのような導体から導体のロープを構成するための個々のエレメントとして特に適切である。

ガイド装置ＦＥは、種々の仕方で構成することができる。ガイド装置ＦＥは、可能な限り、従来の、ケーブル技術から知られたエレメントを使用して機能するのが好ましい。ガイド装置ＦＥの、考えられる二つの実施形態は、図５及び図６に開示されている。

図５によるガイド装置ＦＥは、単に概略として記載された多数のカム板１４を有する。カム板１４は、本方法を実施する際にその軸の周りに回転する。カム板１４の周囲の面には、ロープ１５の一端が密着しており、ロープ１５の他端にはそれぞれ穴１６が設けられている。本方法を実施する際には、該穴を通して、少なくとも一つのストリップ１が導かれる。カム板１４の回転によって、穴１６は、両矢印１７の方向に往復運動する。それによって、穴は、管９の断面においてつねに異なった位置を占める。管９は、図５において、破線で描かれた円１８で示される。

カム板１４を、連続的に均一な速度でその軸の周りに回転させることができ、その結果、導体の断面におけるストリップ１の、目標に合った、系統だった分布が生成される。また、カム板１４は、変化する速度で運転することができる。その結果、導体の断面における、ストリップ１の、より偶発的な分布が得られる。

本方法の他の実施形態において、ストリップ１を、最初に、事前製造プロセスで複数の束にまとめ、その都度一つの巻枠に巻きつけることができる。巻枠は、ケーブル技術で普通のロープ生成装置のロープ生成フレームまたは据え付けの流出スタンドに配置することができる。

ガイド装置ＦＥは、図６による実施形態の場合には、たとえば、フレーム１８に設置した、その軸の周りに回転可能な板１９から構成される。板１９は、事前製造されたストリップの束を通過させるための複数の貫通孔２０を有する。板１９は、束を支えるロープ生成フレームとともに、一定の方向にその軸の周りを回転させることができる。しかし、板１９は、逆の回転方向に回転させることもできる。その結果、束の複数のストリップに対して、据え付けの流出口を使用することができるので有利である。

Claims (11)

1. 超伝導材料としてセラミックス材料を備えた、超伝導電気導体を製造する製造方法であって、
   超伝導性セラミックス材料を塗布した支持体の、複数の平坦なストリップ（１）の周りに、金属性帯状体（３）を長手方向に巻いて、長手方向に走るスリットを備えた管を成形し、該金属性帯状体の、該スリットに沿って存在するエッジを互いに溶接し、
   複数のストリップを、個々のストリップが、該導体の延長方向において、該導体の断面内の異なった位置を占めるように、恒常的に位置交換しながら該管へ供給し、
   溶接プロセスによって閉じられた管（９）を、すべての、管内に存在するストリップを覆う領域に対応する内径まで小さくする製造方法。
2. ストリップの位置交換が系統的に目標に合わせて実施される請求項１に記載の製造方法。
3. ストリップの位置交換が偶発的な分布で実施される請求項１に記載の製造方法。
4. 複数のストリップを、最初に、互いに分離した複数の束にまとめ、該複数の束を、管に供給される間に、相対的に、管断面に向けて周方向に移動させる請求項１に記載の製造方法。
5. その中に、共通のカバー内の複数のストリップをまとめた、複数の丸いワイヤを生産し、
   該複数の丸いワイヤを互いに解撚することなく、まとめてロープを生成する請求項１に記載の製造方法。
6. 該複数の丸いワイヤを、中心核エレメントの周りに束ねる請求項５に記載の製造方法。
7. ストリップの他に、管へ充填材を満たす請求項１から６のいずれかに記載の製造方法。
8. 充填材として低融点金属を使用する請求項７に記載の製造方法。
9. 請求項１による製造方法によって提供される超伝導電気導体であって、
   超伝導性セラミックス材料を塗布した支持体の、複数のストリップ（１）が、金属からなる管（１２）内に配置されており、該管の内部断面は、該複数のストリップによって満たされており、
   該複数のストリップは、該導体の延伸方向において、該導体の断面内の異なる位置を占める超伝導電気導体。
10. 円形の断面を有する請求項９に記載の超伝導電気導体。
11. 互いに向き合い、傾斜した二側面を備えた台形状の断面を有する請求項９に記載の超伝導電気導体。

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