(57)【要約】ハイブリッド超伝導体を形成しながら機械的かつ電気的に相互に結合された金属超伝導体とセラミックス超伝導体を有する超伝導装置に関する。金属超伝導体の臨界磁場が低いと言う問題を、このような問題のないセラミックス超伝導体との併用により回避する。低磁場の際は金属超伝導体の機械的性質と電流容量を利用し、高磁場の際はセラミック超伝導体の高い臨界磁場を利用する。両超伝導体は、両端だけでなく、その途中の箇所でも相互に結合しておくのが望ましい。
2004528712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体にハイブリッド超伝導体を形成しながら機械的かつ電気的に相互に結合されている金属超伝導体（ＭＳＬ）とセラミックス超伝導体（ＨＴＳ）を有する超伝導装置。
【請求項２】
前記２つの超伝導体（ＭＳＬ、ＨＴＳ）が軟ロウ（ＬＶ）で相互に結合された請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記２つの超伝導体（ＭＳＬ、ＨＴＳ）のうちの少なくとも１つが長方形の断面を有する請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
前記２つの相互に結合された超伝導体（ＭＳＬ、ＨＴＳ）が曲げられており、金属超伝導体（ＭＳＬ）がセラミックス超伝導体（ＨＴＳ）より大きな曲率半径を有するか又はその逆である請求項１から３の１つに記載の装置。
【請求項５】
金属超伝導体（ＭＳＬ）としてＡ１５化合物が指定されている請求項１から４の１つに記載の装置。
【請求項６】
ＮｂＳｎ超伝導体として外側安定化させた第四青銅導体が指定されている請求項７記載の装置。
【請求項７】
前記青銅導体が銅２０〜４０パーセントを含有している請求項８記載の装置。
【請求項８】
セラミックス超伝導体（ＨＴＳ）として（Ｂｉ、Ｐｂ）2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx超伝導体を用いる請求項１から７の１つに記載の装置。
【請求項９】
前記超伝導体（ＨＴＳ）が、銀から成るマトリックス（ＡＧ）中に埋め込まれている複数のフィラメント（ＦＬ）を有する請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記マトリックス（ＡＧ）が、分散硬化した銀−マグネシウム外被（ＨＬ）で包まれている請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導体の重要性は増大し続けている。それは、益々多くの使用分野で高磁場においても大きな電流容量を有する導体が望まれているからである。この場合、１つには金属超伝導体、例えば真空溶解物から取り出されたＮＳＴＴ６２０００型の超伝導体、又はセラミックス超伝導体（高温超伝導体とも称する）、例えば真空溶解物から取り出されたＢｉ−２２２３  ＨＴＳＬ  １２１−２．３／−ＡｇＡｇＭｇ型の超伝導体が公知である。
【０００３】
金属超伝導体は、その固有臨界磁束密度の上限が低いために、より大きな磁場ではまだ工業的に十分に大きな電流を通ずることができない。セラミックス超伝導体には、現時点で持続的に発生させることができる磁場よりもはるかに大きいその上限臨界磁場故に、そのような制限はない。臨界電流の値は、略外部の磁場に無関係に例えば２０Ｔを上回る。しかし、セラミックス超伝導体は、例えば磁石において、ローレンツ力により引き起こされる機械的な負荷に対し、より敏感に反応する。このため、しばしば磁石系は内側の高磁場セグメントと外側のセグメントとに分割される。その際、内側の高磁場セグメントにはセラミックス超伝導体が使用され、それに対し外側のセグメントには金属超伝導体が使用される。この場合、各セグメントの間、即ち金属超伝導体とセラミックス超伝導体の間に、頑丈で低損失の接触を得ねばならない点が問題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って本発明の課題は、上記欠点を有さない超伝導装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題は、請求項１に記載の超伝導装置によって解決される。本発明の思想の実施形態および有利な態様は、従属請求項の対象である。
【０００６】
本発明の利点は、金属超伝導体とセラミックス超伝導体から組み立てた「モノリシック」超伝導体が、低磁場の場合には金属超伝導体の機械的性質および電流容量を利用する一方で、より高い磁場の場合にはセラミックス超伝導体のように振る舞うことである。
【０００７】
このことは、詳細には一体にハイブリッド超伝導体を形成しながら機械的かつ電気的に相互に結合された、金属超伝導体とセラミックス超伝導体を有する超伝導装置によって達成される。これは、これら２つの超伝導体（特に複合超伝導体）が端部で相互に結合するばかりでなく、超伝導体の長さ全体にわたり点状又は連続的に機械的かつ電気的に相互に結合されていることを意味する。
【０００８】
この際、これらの両超伝導体を、軟ロウで相互に結合するとよい。特定の使用分野では硬ロウ、導電性プラスチック（特に接着剤）又は機械的な結合要素、例えばクランプ、構造部材、適当なプロファイル並びに超伝導体の特別な造形等を用いた結合も可能である。
【０００９】
更に、前記２つの超伝導体の内の少なくとも１つが長方形の断面を有し、特にテープとして形成されているとよい。この導体のできるだけ適合させた長方形の断面により、一層大きな接触面積が得られる。これに伴い、結合の機械的強度がより大きくなり、かつ電気抵抗がより小さくなる。
【００１０】
超伝導体の多くの使用例で超伝導体は、例えば芯又は支持物に巻かれている。従って巻かれた超伝導体は曲げられていることになる。本発明の有利な態様では、本発明による、曲げられた超伝導装置の場合には金属超伝導体がより大きな曲率半径を有し、かつ、これに対してセラミックス超伝導体はより小さな曲率半径を有する。
【００１１】
この場合、ロウ接合の機械的強度が十分なら、金属超伝導体とセラミックス超伝導体の位置の交換も可能であり、セラミックス超伝導体はより大きな曲率半径、金属超伝導体はより小さな曲率半径である。更にこれら両超伝導体を並べて配置することもできる。
【００１２】
有利な金属超伝導体としてＡ１５化合物が挙げられる。この種超伝導体は、銅を２０〜４０％（特に２２〜２４％）含み、外側を安定化させた第四ＮｂＳｎ超伝導体でよい。この超伝導体は、他の金属の高磁場導体、例えばＮｂＡｌ超伝導体でも代替できる。
【００１３】
セラミックス超伝導体として、好ましくは（Ｂｉ、Ｐｂ）2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx超伝導体が使用できる。この超伝導性の金属酸化物化合物は、少なくとも７７Ｋの高い遷移温度を有し、従ってこの化合物は高温超伝導体材料とも呼ばれ、かつ液体窒素による冷却が可能である。この金属酸化物化合物は、特にビスマス物質系Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏを基礎とする銅酸塩を含み、この場合、この物質系の各成分は、少なくとも部分的に他の成分で置換されていてもよい。特にＰｂによるＢｉ成分の適切な部分的な置換は可能である。このＢｉ含有物質系には少なくとも２つの超伝導状態が現れ、これら超伝導状態は、その結晶単位格子内の銅−酸素−網平面（−層）の数によって異なっている。しかし、例えば次のとおり、全てのセラミックス高温超伝導体の使用が一般的に可能である。
（Ｌａ、Ｂａ）2ＣｕＯ4、
（Ｎｄ、Ｃｅ）2ＣｕＯx、
（Ｎｄ、Ｓｒ、Ｃｅ）2ＣｕＯ4、
ＨｇＢａ2ＣｕＯx、
（Ｐｂ、Ｃｕ）（Ｅｕ、Ｃｅ）2（Ｓｒ、Ｅｕ）2Ｃｕ2Ｏ9、
（Ｅｕ、Ｃｅ）2（Ｂａ、Ｅｕ）2Ｃｕ3Ｏx、
（Ｔｌ、Ｐｂ）Ｓｒ4Ｃｕ2Ｃｏ3Ｏ7、
Ｔｌ2Ｂａ2ＣｕＯ6、
Ｂｉ2Ｓｒ2（Ｇｄ、Ｃｅ）2Ｃｕ2Ｏ10、
Ｐｂ2（Ｓｒ、Ｌａ）2Ｃｕ2Ｏ6、
（Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ）3Ｃｕ2Ｏ6、
ＴｌＢａ2ＣａＣｕ2Ｏx、
ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx、
Ｔｌ2Ｂａ2ＣａＣｕ2Ｏ8、
ＹＢａ2Ｃｕ4Ｏ8、
Ｙ2Ｂａ4Ｃｕ7Ｏ15、
Ｐｂ2Ｓｒ2ＹＣｕ3Ｏ8、
ＰｂＢａＹＳｒＣｕ3Ｏ8、
ＴｌＢａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、
Ｔｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10、
（Ｓｒ、Ｃａ）5Ｃｕ5Ｏ10、
ＴｌＢａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏ11、
Ｔｌ2Ｂａ2Ｃａ3Ｃｕ4Ｏ12、
ＴｌＢａ2Ｃａ4Ｃｕ5Ｏ13、
Ｔｌ2Ｂａ2Ｃａ4Ｃｕ5Ｏ14、
（Ｂａ、Ｓｒ）ＣｕＯ2
各元素は、改善した相形成のため他の金属（例えばＰｂ）で置換してもよいし、酸素含量が変化してもよい。
【００１４】
自体公知の方法で複数の相応のテープ状又は線材状の高温超伝導体又はこれら導体中間体もしくは導体先駆物質を束ねると、複数の超伝導体芯を有する導体、所謂多芯、即ちマルチフィラメント導体を得ることもできる。これらフィラメントは、本発明の有利な態様の場合には好ましくは銀から成るマトリックス中に埋め込まれる。この場合、マトリックスは、分散硬化した銀マグネシウム外被で包まれていてもよい。この外被はマルチフィラメント導体に、純銀の外被に比して機械的性質の改善をもたらす。この際、引張応力、伸びおよび曲率半径の特性値は、臨界電流を低減させるために高められる。
【００１５】
金属超伝導体の場合、例えば真空（ＶＡＣ）から取り出されたＮＳＴｘｘｘｘｘ型（ｘｘｘｘｘは可変のフィラメント数、例えば００００１〜６４０００）を選択的に用いてもよい。セラミックス超伝導体の場合、例えば３７本、５５本、８１本、１２１本又はそれ以上のフィラメントを持ち、真空溶解物から取り出した型を選択的に用いてもよい。マトリックスとしてＡｇ合金を純銀の代わりに使える（例えばＡｇＰｄx又はＡｇＡｕx）。外被として選択的に、例えばＡｇＭｎ合金又はＡｇＭｇＮｉ合金を使用してもよい。
【００１６】
次に本発明を図面に示す実施例につき詳説する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、真空溶解物から取り出したＮＳＴＴ６２０００Ａ２３型の従来の工業用の金属超伝導体を断面図で示す。この導体は、銅２３％含有の外側を安定化させた第四青銅導体ＢＬであり、その構成が製造時に使用する熱処理と共に高磁場使用に最適化されている。
【００１８】
図２は、真空溶解物から取り出したＢｉ−２２２３  ＨＴＳＬ  １２１−２．３／−ＡｇＡｇＭｇ型のセラミックス超伝導体（高温超伝導体）の断面を示す。この超伝導体は、Ｂｉ−２２２３型の反応させた高温超伝導体銅酸塩を１２１本のフィラメントＦＬの形で含んでいる。詳細には銅酸塩としてＢｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏxを使用し、その際、ビスマスを部分的に鉛で置換することもできる。これらフィラメントＦＬは、銀から成るマトリックスＡＧ中に埋め込まれており、このマトリックスも分散硬化した銀−マグネシウム外被ＨＬで包まれる。このセラミックス複合超伝導体は、例えば固有磁場の下、温度Ｔ＝７７Ｋ、電場Ｅc＝１μＶ／ｃｍで臨界電流Ｉc＝５５−８０Ａを示す。
【００１９】
図３に示すように、本発明によれば、例えば図１に示す金属超伝導体ＭＳＬおよび例えば図２に示すセラミックス超伝導体ＨＴＳは、ロウ化合物ＬＶを介して機械的かつ電気的に相互に結合されている。ロウとして、例えばＥＬＳＯＬＤ軟ロウＳ−Ｂｉ５０、Ｐｂ２５Ｓｎ１２、５Ｃｄ１２、５又はα−グリロ−ソルダティン（α-Grillo-Loetzinn）Ｎｉ４９Ｉｎ２１Ｐｂ１８Ｓｎ１２又はフュージョン・ソルダー・ペースト（Fusion Solder Paste）ＳＳＸ−４３０−８３０等の型の市販の低融点のロウが使用できる。
【００２０】
２つの超伝導体ＭＳＬとＨＴＳをロウ付けするため、ロウＬＶを例えばペーストとしてこれら２つの層の間に挟み、引き続き、このアセンブリ全体を加熱する。他の方法の場合には、液状のロウＬＶを、加熱された超伝導体ＭＳＬとＨＴＳＬの間に注入する。ＮｉＣｏＳｎ箔を用いた硬ロウ付けも可能である。
【００２１】
図４は、本発明による超伝導装置で作った巻線を側面図で示す。この場合、巻線は巻線支持物ＷＴに施している。巻線支持物ＷＴと超伝導装置は本質的に丸いので、超伝導装置は相応の屈曲を有する。この場合、セラミックス超伝導体ＨＴＳは、例えば前記支持物ＷＴに対し金属超伝導体ＭＳＬよりも近くに配置されている。
【００２２】
図５は、個々の金属超伝導体ＭＳＬ、セラミックス超伝導体ＨＴＳＬおよび本発明によるハイブリッド複合超伝導体について比較した電流容量を示す。この場合、セラミックス超伝導体ＨＴＳの経過は、高い電流密度Ｉc（単位Ａ）および小さな磁束Ｂ（単位Ｔ）から始まり、続いて比較的急降下した後に比較的平坦な経過に移行して比較的小さな電流密度に至る。これに対し金属超伝導体ＭＳＬでは、中間の磁束Ｂと高い電流密度から始まり、そして事実上ほぼゼロとなり、その際、磁束Ｂは高く、経過はかなり急傾斜である。
【００２３】
このことから、金属超伝導体ＭＳＬが大きな磁場で工業的に十分に高い電流を通じ得ないことは明白である。これに対しセラミックス超伝導体ＨＴＳにはかかる制限がない。臨界電流の値は、セラミックス超伝導体の場合、外部の磁場にほぼ無関係に例えば２０Ｔを上回る。しかしセラミックス超伝導体は、例えば磁気端軸（Magnetendachse）において、かつローレンツ力により引き起こされる機械的な負荷に対し、より敏感に反応する。
【００２４】
本発明は上記問題点を、低磁場の際には金属超伝導体ＭＳＬの電流容量を利用し、高磁場の場合にはセラミックス超伝導体ＨＴＳの電流容量を利用すべく、金属超伝導体ＭＳＬとセラミックス超伝導体ＨＴＳを結合してモノリス導体を得ることで解決する。
【００２５】
この場合の更なる利点は、力の負荷（ローレンツ力）の最大値が最大の磁場（＞２０Ｔ）でではなく、約１５Ｔで現れることである。図５から解るように、ハイブリッド複合超伝導体の場合のＩｃ（Ｂ）の経過は、より高い磁場の場合にほぼゼロではなく、より大きな電流からセラミックス超伝導体ＨＴＳの経過に向きを変えるという形になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による超伝導装置に使用する金属超伝導体の実施例。
【図２】本発明による超伝導装置に使用するセラミックス超伝導体の実施例。
【図３】本発明による超伝導装置の構成の概略的な断面図。
【図４】本発明による超伝導装置の有利な実施例の側面図。
【図５】金属超伝導体、セラミックス超伝導体および本発明による超伝導装置について比較した電流容量。
【符号の説明】
【００２７】
ＢＬ  導体、ＦＬ  フィラメント、ＡＧ  マトリックス、ＨＬ  高温超伝導体、ＭＳＬ  金属超伝導体、ＨＴＳ  セラミックス超伝導体、ＬＶ  ロウ、ＷＴ  巻線支持物
【図５】
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【国際公開パンフレット】
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2004528712.tif 000005
2004528712.tif 000006
2004528712.tif 000007
2004528712.tif 000008
2004528712.tif 000009
2004528712.tif 000010
2004528712.tif 000011
2004528712.tif 000012
2004528712.tif 000013
2004528712.tif 000014
2004528712.tif 000015
2004528712.tif 000016
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004528712.tif 000017
【国際調査報告】
2004528712.tif 000018
2004528712.tif 000019
2004528712.tif 000020
2004528712.tif 000021
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