(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導磁気シールドリアクトル型限流装置用超電導磁気シールド板としてＱＭＧバルク材料を用い、接合により超電導磁気シールド体を製造する方法において、ＲＥとＲＥ′をＮｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕからなる群から選ばれた一種類以上の元素とし、配向した複数のＲＥＢａ2Ｃｕ3 Ｏ7 系ＱＭＧバルク材料同士をその接合面で結晶方位を合わせ、接合しようとする面間に該ＱＭＧバルク材料よりも低い包晶温度を有するＲＥ′Ｂａ2Ｃｕ3 Ｏ7 系超電導体の原料粉をソルダーとして挿入し、ソルダーを介した該バルク材料をソルダーの包晶温度よりも高くかつＲＥＢａ2Ｃｕ3 Ｏ7 の包晶温度よりも低い温度に加熱し、ソルダーを半溶融状態に保持して液相を生じさせた後、臨界電流密度をＪｃ（kA/m2 ）、冷却速度をｖ（度／時間）、臨界電流密度の冷却速度(依存)係数をｋ、最大臨界電流密度をＪｃ０とするとき、前記ソルダーを下記の式ａから求まる冷却速度ｖに従って徐冷することによって接合することを特徴とする超電導磁気シールド体の製造方法。
Ｊｃ＝−ｋｖ＋Ｊｃ０                              （式ａ）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超電導磁気シールドリアクトル型限流装置用超電導磁気シールド体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
網状に接続された電力系統のなかのある一部に事故が発生すると、全域に被害が及ぶ。短絡事故時の電気機器の焼損被害を最小限に抑制するためには、過大電流を局所的に遮断する必要がある。そのための保護手段として限流装置が有効である。限流装置は、事故認識スイッチで過大電流を感知するとすぐに、過大電流を限流部に転流させ、瞬時に消滅させる。定常時の電力損失を最小にするためには、超電導線材の利用が適している。限流装置としては、超電導−常電導転移による高抵抗型、整流器型、三相三巻線リアクトル型、二コイル無誘導接続型、可飽和リアクトル型などが試作または考案されている。
【０００３】
このうち、特開平２−１０５４０２号公報に開示された誘導電流制限装置は、比較的簡単な構成を有し、小型化できるので、その実用化が強く望まれている。その動作原理は、過飽和リアクトル型を応用したもので、以下に詳細を図１において説明する。限流部は銅巻線製の誘導コイル１、中空形状の超電導磁気シールド体２、高透磁率鉄心３の３つの主要要素からなり、いずれも軸対称な形状で、同軸になるように配置されている。超電導磁気シールド体２は超電導転移温度以下に冷却されている。電力系統５からの通電電流が誘導コイル１を流れるので、誘導コイル１の内部に磁場が発生するが、超電導磁気シールド体２のマイスナー効果により、この誘導磁場は内部の高透磁率鉄心３には侵入しない。そのため通常は誘導コイル１のインダクタンスが低く、限流装置のインピーダンスも小さいため、電力損失が少ない。一方、短絡事故時には、過大電流が誘導コイル１に流れ、超電導磁気シールド体２の最大シールド磁場以上の強磁場が発生し、強磁場は高透磁率鉄心３に侵入し、限流装置のインピーダンスが増加する。そのため、リアクトル効果により電力損失が大きくなり、過大電流は限流される。以上が動作原理である。
【０００４】
ここで、事故認識スイッチは、超電導磁気シールド体２であり、限流部と一体となっていることが特徴である。誘導コイル１の巻数を一定とすると、限流装置の最大規格電流値は、超電導磁気シールド体の最大シールド磁束密度で決定される。超電導材料の厚さをａ、最大シールド磁束密度をＢｍａｘ  、臨界電流密度をＪｃ、真空中の透磁率をμ０  とする。ＭＫＳ単位系では、μ０  は４π×１０−７なる定数である。最も簡単な臨界状態モデルでは、
Ｂｍａｘ  ＝μ０  ａＪｃ                                        （１）
の関係が成立し、最大シールド磁束密度は、超電導磁気シールド体の厚さと臨界電流密度とで決定される。したがって、限流装置の最大規格電流値は、超電導材料の臨界電流密度に依存する。
【０００５】
前記特開平２−１０５４０２号公報の手法では、最大シールド磁束密度をマイスナー効果が破れる下部臨界磁場としていた。下部臨界磁場の値は低く、この磁場は充分には高透磁率鉄心３に侵入しないので、すばやい限流効果は期待できない。これとは独立に大西らは、超電導磁気シールドリアクトル型限流装置を考案し、磁気シールド効果が破れる最大シールド磁束密度においてはじめて迅速な限流作用が生じることを見いだし、合金系超電導材料を用いてその動作を確認している。（電気学会全国大会予稿集９３８頁（１９９１））
【０００６】
しかし、従来の金属系または合金系超電導材料を利用するには、液体ヘリウムを冷媒として冷却する必要があった。液体ヘリウムは液体窒素よりも２０倍も高価であり、その取扱いも容易ではなく、その冷却設備が大型化しコスト高を招くという難点があった。そのため、窒素沸点よりも高い臨界温度を有する酸化物超電導体の適用が期待されていた。
【０００７】
焼結法で作製された酸化物超電導体は、大傾角の結晶粒界を含む。そのため、粒界が電流通路の妨げとなり、臨界電流密度はまだ実用水準に至っていない。特願昭６３−２６１６０７号に開示された溶融法（以下ではＱＭＧ法という）で作製されたＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏ７  系バルク超電導材料は、大傾角粒界を含まず、その臨界電度は高い。しかし、下記の二つの克服すべき問題点があった。
【０００８】
第一に、超電導材料の接合の問題である。近年の電力需要の増大により、電気容量は大型化する傾向にある。そのため、臨界電流密度の高い大型超電導材料を製造し、最大規格電流の高い限流装置が必要とされている。大型材料を作製するためには、複数の超電導材料を接合しなくてはならないが、接合部における臨界電流密度が低く、しかも制御することができなかった。
第二には、個々の超伝導材料の臨界電流密度にばらつきがあるため、限流装置の最大電流を規格化することができないという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、最大規格電流値の高い限流装置及び最大規格電流値精度の高い限流装置用超電導磁気シールド体の開発を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、ＭＧ超電導接合法（特願平４−１０９０８８号）で、ＱＭＧ材料を接合することにより、大型超電導磁気シールド体を実現する。また、本発明者らが発見した、接合時に冷却速度を制御することにより接合部の臨界電流密度を精度よく規定できることを利用して、最大規格電流値精度の高い限流装置用超電導磁気シールド体を実現する。以下に詳細を説明する。
【００１１】
ＱＭＧ材料は、大傾角粒界を含まず、臨界電流密度の高い大型単一粒結晶である。６．５≦ｙ≦７として、ＱＭＧ材料はＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  超電導体を主要マトリックスとし、微細なＲＥ２  ＢａＣｕＯ５  を第二相として５〜５０ｍｏｌ  ％含む。原料粉は、ＲＥ２  Ｏ３  、ＢａＯ２  、ＣｕＯを用い、ＲＥ，Ｂａ，Ｃｕが所定の元素比になるように混合し、仮焼したものである。白金添加法（特願平４−１４３６７０号）を利用すると更に臨界電流密度の高い材料を作製することができ、種結晶法（特願平４−５５２０３号）を利用すると大型の材料を作製することができる。最後に、ＱＭＧバルク材料を酸素アニールして、６．９≦ｙ≦７となるように酸化すると、９２Ｋの臨界温度を示す。
【００１２】
ＭＧ超電導接合法によれば、複数の超電導材料を組み合わせ、最大シールド磁束密度の高い大型超電導磁気シールド体を製造することができる。その手法を以下に説明する。ＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  超電導板を、接合しようとする面で結晶方位を合わせ、ＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の包晶温度よりも低い包晶温度を有するＲＥ′Ｂａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の原料粉を接合面間にソルダーとして挿入する。ＲＥ′については後で述べる。ＲＥ′Ｂａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  原料粉を介したＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  超電導板同士をＲＥ′Ｂａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の包晶温度以上ＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の包晶温度未満に加熱し、ＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  を固相に保ったままでＲＥ′Ｂａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  半溶融状態にする。その後、ＲＥ′Ｂａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の包晶温度の前後１０℃程度の範囲を、１〜５℃／時間の冷却速度で徐冷する。このように冷却速度を十分に遅くすると、接合部のＲＥ′Ｂａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  はＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の結晶方位と同じ方位に結晶成長する。そのため、接合部の臨界電流密度はＲＥ′Ｂａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  系ＱＭＧバルク材料のそれとほとんど同じ値を達成することができる。このように接合部での臨界電流密度を損なうことなく、最大シールド磁束密度の高い超電導磁気シールド体を製造することができる。また、複数の超電導材料を接合することにより、任意の大きさの超電導磁気シールド体を製造することができる。
【００１３】
ＲＥ′の選択には、ＲＥ′３＋のイオン半径が小さいほどＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の包晶温度が低いことを利用する。つまり、ＲＥ３＋のイオン半径よりも小さいイオン半径を有するＲＥ′３＋を選択すると、ＲＥ′Ｂａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の包晶温度はＲＥＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の包晶温度より低い。例えば、ＲＥ＝Ｇｄ，ＲＥ′＝Ｔｍ、あるいは、ＲＥ＝０．５Ｄｙ＋０．５Ｈｏ，ＲＥ′＝Ｙｂ等にすればよい。
【００１４】
最大シールド磁束密度を制御するためには、ＭＧ超電導接合法において、冷却速度と接合部の臨界電流密度との関係を利用する。接合部の臨界電流密度は冷却速度が速いほど低下するという知見が得られた。この関係を利用すると、冷却速度を変化させることにより、臨界電流密度を制御し、更に（１）式の通り最大シールド磁束密度も制御することが可能となる。
【００１５】
【作用】
焼結体と比較してＱＭＧ材料の臨界電流密度は高いので、最大シールド磁束密度の高い超電導磁気シールド体を製造することができる。また、複数のＱＭＧ超電導材料をＭＧ超電導接合することにより、大型の超電導磁気シールド体を製造することができる。更に、ＭＧ超電導接合法において、冷却速度を変化させて、臨界電流密度を制御することができるので、目的とする最大シールド磁束密度を有する超電導磁気シールド体を製造することができる。以上から、最大規格電流が高くかつその精度の高い限流装置を製造することが可能となる。
【００１６】
【実施例】
実施例１
ＭＧ超電導接合法において、冷却速度と接合部の臨界電流密度との関係を以下のように測定した。
【００１７】
まず、ＱＭＧ法によりＹＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  超電導材料を作製し、３×４×２０ｍｍ３  の大きさに切り出した。４×２０ｍｍ２  の面がｃ面である。ｃ軸方向に５Ｔの磁束密度をかけたとき、前記超電導材料の臨界電流密度Ｊｃ０  は、窒素沸点において４０，０００ｋＡ／ｍ２  であった。前記超電導材料２本を、ＹｂＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  原料粉をソルダーとして介し、３×４ｍｍ２  の面で接合する。ＹＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の包晶温度は１０００℃であり、ＹｂＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  の包晶温度は９００℃である。そこで、ソルダーを介した材料を炉中で９５０℃まで加熱してＹｂＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  原料粉を半溶融状態にし、３０分間保持した。その後、９１０℃まで１時間で降温し、９１０℃から８９０℃まで１０時間かけて徐冷した。８９０℃から室温までは、１００℃／時間の速さで冷却した。
【００１８】
窒素沸点、５Ｔにおいて、接合された超電導材料の臨界電流密度は、３６，０００ｋＡ／ｍ２  であった。この値は、元のＹＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  系超電導材料の値よりも１割低下しているだけである。このことから、冷却速度を２度／時間とした場合、接合部が良好な超電導状態を保っていることがわかった。
【００１９】
次に、上記と同様なＭＧ超電導接合において、冷却速度を、１，５，１０，２０度／時間の４種類とた。各接合材料の接合部の臨界電流密度の測定結果を図２に示す。これから、冷却速度が速いほど臨界電流密度が低下することがわかる。臨界電流密度Ｊｃ（ｋＡ／ｍ２  ）と冷却速度ｖ（度／時間）との関係は、最も簡単な近似式を仮定すれば、
Ｊｃ＝−Ｋｖ＋Ｊｃ０                                        （２）
なる実験式で表すことができる。ここで、ｋ＝１７３０は臨界電流密度の冷却速度存係数、Ｊｃ０  ＝４０，０００ｋＡ／ｍ２  は最大臨界電流密度、冷却速度は１≦ｖ≦２０である。
【００２０】
実施例２
大型限流部材を構成するために、ＱＭＧ法により１０×５０×５ｍｍ３  の大きさのＹＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  超電導板を６枚作製した。１０×５ｍｍ２  の面が結晶のｃ面である。各超電導板の５０×５ｍｍ２  の面を接合面として合わせ、向かい合う接合面が平行になるように研磨し、六角筒を形成する。接合面間にＹｂＢａ２  Ｃｕ３  Ｏｙ  原料粉をソルダーとして挿入する。この六角筒の目的とする最大シールド磁束密度が０．５Ｔとなるように、ＭＧ超電導接合する。冷却速度は、（１）式と（２）式から決める。厚さの超電導材料を利用する場合、目的とする最大シールド磁束密度Ｂｍａｘ  において、超電導材料の臨界電流密度Ｊｃ０  を測定し、接合部の臨界電流密度の冷却速度依存係数ｋを測定する。これより冷却速度は、
ｖ＝（Ｊｃ０  −Ｂｍａｘ  ／μ０  ａ）／ｋ                        （３）
のように選べばよい。ここで、ａ＝５×１０−３ｍ、Ｂｍａｘ  ＝０．５Ｔ、Ｊｃ０  ＝４００，０００ｋＡ／ｍ２  、ｋ＝６４，０００（ｋＡ／ｍ２  ）／（度／時間）を（３）式に代入して、冷却速度はｖ＝５度／時と算出される。
【００２１】
このようにして作製した中空形状のＱＭＧ超電導磁気シールド体を、液体窒素により冷却する。図３に示すように、超伝導磁気シールド体２の外周に、誘導コイル１を設置し、内側中心部に磁束密度計測器４を設置する。誘導コイル１に通電して０．  ５Ｔ未満の磁束密度を発生させても、超電導磁気シールド体２の内側中心部の磁束密度は０であり、超電導磁気シールド体２は磁束を完全にシールドしていた。誘導コイル１にさらに電流を流して０．  ５Ｔの磁束密度を発生させると、内側中心部の磁束密度は有限になった。これは超電導磁気シールド体２の磁気シールド効果が破れ、最大シールド磁束密度が０．  ５Ｔであることを示している。
【００２２】
図１のように、誘導コイル１を外側にして、接合した六角筒状超伝導磁気シールド体２と同軸になるように組み合わせ、さらに超伝導磁気シールド体２内部に高透磁率鉄心３として軟鉄を同軸に設置する。これらにより、目的とする最大規格電流を有する限流装置を構成することができた。
【００２３】
【発明の効果】
以上の通り、ＱＭＧ材料をＭＧ超伝導接合すると、接合された超電導材料の臨界電流密度は高くかつ制御可能であり、最大シールド磁束密度も高くかつ制御可能である。したがって、限流装置の最大規格電流値を高くとることができ、超電導磁気シールド板厚を一定にしたままで、最大規格電流を制御することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】超電導磁気シールドリアクトル型限流装置の概念図。
【図２】接合部の臨界電流密度の冷却速度依存性。
【図３】六角筒状ＱＭＧ超電導磁気シールド体を有する限流装置を示す。
【符号の説明】
１  銅巻線で構成される誘導コイル
２  中空形状の超電導磁気シールド体
３  高透磁率鉄心
４  磁束密度計測器
５  電力系統
【図１】
0003579708.tif 000002
【図２】
0003579708.tif 000003
【図３】
0003579708.tif 000004