超导导体以及超导导体的用途的制作方法

超导体是在低于特定温度时电阻完全消失的材料。因此，在足够低的温度下操作时，超导体不具有任何电直流损失。由这种超导材料制成的用于传输电的导体或线圈最终不会表现出任何直流损失。因此，能够通过这种导体非常有效地传输电。特别是，利用超导磁体，能够非常有效地产生强磁场。低温超导体和高温超导体根据相位从超导状态转变到正常导电状态时的温度值来区分。对于低温超导体，其通常低于30K；而对于高温超导体，在某种程度上明显更高，例如高于氮的沸点(T＝-196℃)。因此，也对高温超导体(HTS)的其他应用进行了讨论，因为相比于低温超导体而言，有关冷却的工作量明显减少。其中包括能量传输装置、旋转机械或磁体，其中，旋转机械诸如发电机、引擎等，磁体诸如NMR或粒子加速器。

对于场和温度范围以及电流密度而言，由稀土钡氧化铜(Rare Earth Barium Copper Oxide，简称REBCO)制造的高温超导体是目前在市面上能够获得的最受关注的HTS材料。然而，其被制造为将超导体以大约1μm的厚度沉积在其上的薄带或条带状，由此生产出通常具有100μm的厚度以及毫米范围内的宽度的带。传统的用于生产高安培容量的电缆的捻股方法无法用于这些扁平的带，使得对于从超导体流出的较高的电流而言，需要分别用于生产导电体或电缆的新的方法。

在通过超导体传输高电功率时，导体必须适当地被冷却。就这一点而言，期望冷却至尽可能小的体积，即，在线束或电缆中分别实现高电流密度。在大型磁体中产生强磁场时，也期望大功率密度。同时，需要电缆具有高机械稳定性，例如，对于在尽量低的热输入、热循环或电磁力情况下进行机械支承是如此。

为此，本发明的课题在于提供紧凑型且机械稳定并针对高电流密度进行设计的超导导体。此外，本发明的课题之一是指出超导导体的用途。

该课题通过独立权利要求的主题来实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

上述课题的解决方案的第一独立方面涉及一种超导导体，其包括：

-各自具有第一宽度的多个第一传导带或条带；

-各自具有第二宽度的多个第二传导带或条带；

其中，第一宽度不同于第二宽度，

其中，多个第一传导带和/或多个第二传导带包括至少一个超导带，

其中，多个第一传导带和多个第二传导带布置或堆叠成具有十字形截面的带堆，以及

其中，在不同情况下，带堆中的连续布置的两个传导带彼此焊接，使得由带堆形成超导主体。

传导带或导电带通常分别指具有例如约100μm的厚度以及例如约2mm至12mm的宽度的扁平导电带。根据应用，传导带的长度例如可以是1m至1km或者更大。传导带具体地可以是金属带，例如铜带。换句话说，传导带可以部分或完全由诸如铜的金属制成。然而，传导带也可以是超导体。换句话说，传导带可以是超导带。

超导带是包括衬底的带，在该衬底上，超导体(具体为诸如REBCO的高温超导体)被沉积为薄层(例如，约1μm的厚度)。衬底例如可具有约100μm的厚度。因此，超导带也具有约100μm的厚度，并且例如可具有约2mm至12mm的宽度。根据应用，超导带的长度例如可以是1m至1km或者更大。当然，其他值也是可以的。第一超导带和第二超导带优选地为高温超导带。

超导导体包括多个第一传导带和多个第二传导带，其中，在不同情况下，第一传导带的宽度不同于第二传导带的宽度。第一传导带中的每个具有相同的宽度，即，第一宽度。相应地，第二传导带中的每个也具有相同宽度，即，不同于第一宽度的第二宽度。

优选地，多个第一传导带包括具有第一宽度的至少一个第一超导带。优选地，多个第一传导带包括各自具有第一宽度的两个或更多个第一超导带。更优选地，所有的第一传导带为各自具有第一宽度的第一超导带。

优选地，多个第二传导带包括具有第二宽度的至少一个超导带。优选地，多个第二传导带包括各自具有第二宽度的两个或更多个第二超导带。更优选地，所有的第二传导带为各自具有第二宽度的第二超导带。

具体地，超导导体包括多个第一超导带和多个第二超导带，其中，在不同情况下，第一超导带的宽度不同于第二超导带。第一超导带中的每个具有相同的宽度，即，第一宽度。相应地，第二超导带中的每个也具有相同的宽度，即，不同于第一宽度的第二宽度。

传导带或超导带的宽度分别限定为带的相对端或长度边缘的距离，其中，端或长度边缘分别沿着带延伸，即，对应于带的长边缘。传导带的宽度总是小于传导带的长度，且超导带的宽度总是小于超导带的长度。相比于超导带的宽度和长度，超导带的厚度限定为超导带衬底至超导体的过渡方向上的尺寸。

优选地，导电体仅包括分别具有第一宽度和第二宽度的第一传导带和第二传导带，具体为超导带(即，传导带或超导带)。换句话说，导电体优选地不包括具有不同于第一宽度或第二宽度的其他宽度的传导带或超导带。具体地，第一宽度大于第二宽度。例如，第一宽度可以是约6mm并且第二宽度可以是约4mm。

多个第一传导带和多个第二传导带分别布置成堆叠形状或具有十字形截面的带堆。带堆的各个连续的传导带分别彼此连接或焊接。通过焊接，连续的传导带具体地彼此以机械方式以及电气方式粘接或连接。如本说明书所限定的，焊接通常是指热粘接(即，通过热来粘接)或用于材料的阳性物质粘接的热工艺。如本发明所限定的，被焊接的带堆也被称为超导主体且构成超导导体的至少一部分。

由于如本发明所限定的十字形截面，超导主体或导电体分别也被称为十字形导体(缩写为CroCo)。通过根据本发明的十字形导体，有利地是，相比于至今为止所实现的超导体堆，能够更好地制造圆形导线的外圆周截面。同时，其易于生产十字形导体。截面的利用相比于仅包括分别具有单一宽度的传导带或超导带的带堆有所提升。以这种方法，有利地，流经导体的电流密度能够得到提升。

为了尽可能地利用导体的截面，带堆或超导体的交叉或十字形截面优选地具有几乎四重对称的外部形状。优选地，交叉或十字形截面的分别各自垂直于堆叠的传导带或超导带的带表面的尺寸分别对应于传导带或超导带的宽度。具体地，十字形状具有四个第一边缘和八个第二边缘，其中，在不同情况下，四个边缘的长度分别优选地基本上对应于第二传导带或超导带的第二宽度，以及/或者，八个第二边缘的长度在不同情况下优选地基本上对应于第一宽度与第二宽度之差的一半。

优选地，传导带或超导带的第一宽度和第二宽度分别通过以下方式选择，即，第一宽度b1与第二宽度b2之间的关系满足下式：

0.6<b₂/b₁<0.7 (1)

例如，超导导体总共包括30至36个传导带或超导带，其中，传导带或超导带各自具有约150μm至165μm的厚度。对此，优选地，三分之二(即，带中的约20至24个)为分别具有第一宽度的第一传导带或超导带，且三分之一(即，带中的约10至12个)为分别具有第二宽度的第二传导带或超导带。

在优选实施方式中，构成超导主体的带堆仅包括或者只包括分别具有两种不同宽度的带。换句话说，带堆仅包括具有第一宽度的第一传导带和具有第二宽度的第二传导带。换句话说，带堆仅包括(除了将带彼此粘接的焊剂以外)具有第一宽度的第一传导带和具有第二宽度的第二传导带，或者带堆仅分别包括具有第一宽度的第一传导带和具有第二宽度的第二传导带。因此，带堆不具有除了第一传导带和第二传导带之外的其他任何带。换句话说，带堆不包括具有与第一宽度和第二宽度不同的宽度的带。

在另一优选实施方式中，带堆或超导主体分别包括中间部和两个端部或者由中间部和两个端部组成，其中，中间部直接布置在两个端部之间，并且中间部唯一地分别包括第一传导带或超导带，且每个端部分别仅包括第二传导带或超导带。

中间部直接布置在两个端部之间意味着，端部在不同情况下无缝地定位成与中间部相邻，即，不存在任何其他的中间部。换句话说，带堆或超导主体分别不包括中间部和两个端部之外的其他任何部分。

具体地，中间部分别具有多个(例如二十个)第一传导带或超导带，并且两个端部中的每个分别具有多个(例如五个)第二传导带或超导带。显然，第一或第二传导带或超导带各自的数量分别可根据应用和/或期望的导电体类型来选择。优选地，分别布置在带堆或超导主体的端部中的第二传导带或超导带(即，传导带或超导带)各自的第二宽度小于分别布置在带堆或超导主体的中间部中的第一传导带或超导带各自的第一宽度。通过这种方式，产生的结果为如上所述的带堆或超导主体的十字形截面。然而，在原则上可以由传导带或超导带分别实施具有多于两种不同宽度的超导主体或导电体，这使得更好地利用截面。然而，在本发明的架构中，显示出这将带来制造费用上的显著提高以及降低导体的可扭曲性。根据本发明的十字形导体(其在不同情况下分别包括各自具有恰好两种不同宽度的两种不同传导带或超导带)相比之下保证了高度地利用截面，同时保证了良好的可扭曲性以及在制造方面的显著低的开销。

在优选实施方式中，除了超导主体之外，超导导体还包括套管(cladding tube)。具体地，超导主体优选地被套管包裹。套管的类型或材料分别具体根据用途而定。

套管例如可由铜或铝或黄铜或铁或它们的组合或合金制成。因此，有利地，可以在淬火的情况下提供附加的传导性。

替代地或附加地，套管还可以由不锈钢或类似的材料制成。这为超导导体提供特殊的稳定性。

替代地或附加地，超导导体优选地包括与超导主体一同布置在套管中的一个或多个配件。以这种方式，尽管存在十字形带堆，基本上仍然能够以容易的方式为超导主体提供圆形形状。基本上圆形的导体(即，具有基本上圆形截面的导体)的实施方式具有更易于使用的优点。此外，超导主体可通过配件来保护，并且套管内部的凹部可被填充。

替代地或附加地，超导导体优选地包括一条或多条金属线，具体地，超导主体优选地由一条或多条金属线包裹或缠绕。如果超导主体例如由利用铜、铝、黄铜或铜、铝和黄铜的组合制成的线缠绕，通过这种方式可对超导主体进行额外的保护。同时，在这种情况下，利用金属线缠绕超导主体能够通过使电流能够流经附加的普通导体，有助于淬火情况下的传导性。

替代地或附加地，超导主体优选地包括一条或多条钢丝。如果超导主体由钢丝缠绕，则超导主体和套管之间的传导性可降低。

替代地或附加地，超导主体优选地包括绝缘材料。如果超导主体由例如卡普顿(Kapton)的绝缘材料缠绕，则超导主体能够与套管绝缘。

在优选实施方式中，带堆或超导主体分别具有扭曲部。具体地，堆叠的传导带或超导带分别彼此扭曲。

带堆或超导主体的扭曲部分别是合乎需要的，当具有交流电成分的电流流经超导导体时尤其如此。另外，当导体例如在缠绕磁体的情况下必须弯曲时，扭曲是有利的。在这种情况下，如果没有扭曲，导体的位于外部的带将强烈地被延伸并且导体内部的带将强烈地被压缩。然而，如果导体被扭曲，则扩张和压缩将循环交替。

本课题的解决方案的另一独立方面涉及根据本发明的超导导体的用途，其分别用于传输能量或功率以及用于产生磁场。

具体地，根据发明能的超导导体可用于：在将风力发电站连接到电力网时，将例如处于10ka至100ka或其以上的范围中的强电流例如从发电厂传输到铝熔体；或者，远距离传输高电功率，尤其在不适合设置高空线路的区域。由于可能流经根据本发明的超导导体的强电流或高电流密度，可以使用根据本发明的超导导体来产生强磁场，例如粒子加速器。

替代地，根据本发明的超导导体可用于形成适合于传输能量和/或产生强磁场的电缆。

优选地，电缆由根据本发明的多个超导导体形成或组装而成，具体地由一个或多个扭曲的超导导体组合形成或组装而成。通过这种方式，安培容量可适应期望的应用。

优选地，这种线束或电缆形成为圆形电缆。这具有如下优点，即，因为电缆的外部形状，并不存在明确指示的优选使用方向。

具体地，分别可以围绕中心管设置与待传输的电流相适应的数量的导体，或者设置适合将根据本发明的超导导体用于能量传输或强磁场的产生的用途的安装件，由此使单个导体的漏磁场最小化。优选地，为了冷却超导体，可通过管泵送冷却剂。

根据本发明的超导导体还可通过局部加热超导导体来形成弯曲的电缆，具体加热至超导导体中所使用的焊料或焊剂各自的熔化温度或其以上，以使超导导体弯曲。在加热状态下，焊剂有利地允许传导带或超导带彼此间局部地位移。

例如，超导导体可通过涡流或热空气被感应加热，以在弯曲时再次获得单个超导体带的柔性。因此，在弯曲期间能够极大地减小或避免传导带或超导带各自的张力。焊剂所熔化的长度优选地为超导主体的扭曲部的至少一个扭曲间距。通过这种方式，有利地，可以平衡各个带的不同的延伸长度，其中，这种不同的延伸长度具体地由于超导导体在弯曲时的内侧与外侧之间的不同延伸长度而产生。

关于第一方面的实施方式的上述以及以下记载也适用于如上所述的其他的独立方面，且就这一点而言尤其适用于优选实施方式。具体地，就这一点而言，关于相应的其他方面的上述以及以下记载也适用于本发明独立方面以及优选实施方式。

下面，将通过附图示例性地描述用于解决上述课题的独立的实施方式。其中，单独描述的实施方式部分地具有对于实现所要求的主题而言并不是绝对必要的特征，然而其提供在专门的应用中所期望的特征。因此，实施方式也应理解为通过所描述的技术教导来公开，该技术教导并不具有以下描述的实施方式的所有特征。此外，为了避免不必要的重复，仅就以下描述的实施方式中的单个实施方式提及了具体的特征。应指出，单个实施方式因此不应仅仅分开进行考虑，也应以组合形式进行考虑。本领域技术人员将从这种组合中认识到，单个实施方式还可通过包括其他实施方式的单个或多个特征来进行修改。应指出，关于其他实施方式进行描述的、单个实施方式与单个或多个特征的系统性组合可以是合意且合理的，且因此其应被纳入考虑并且应理解为被本说明书所涵盖。

附图简介

图1示出传统的超导导体与扁平的超导带堆叠的截面的示意图；

图2a示出根据发明第一示例的超导导体的截面的示意图；

图2b示出根据发明第二示例的超导导体的截面的示意图；

图3示出与根据本发明优选实施方式的超导导体的十字形截面的比例有关的示意图；

图4a示出根据本发明一实施方式的超导导体在压缩前的截面的示意图；

图4b示出图4a中的根据本发明的超导导体的示意性立体图；

图5a示出根据本发明一实施方式的超导导体在压缩后的截面的示意图；

图5b示出图5a中的根据本发明的超导导体的示意性立体图；

图6a示出根据本发明另一实施方式的超导导体在压缩前的截面的示意图；

图6b示出图6a中的根据本发明的超导导体的示意性立体图；

图7a示出根据本发明另一实施方式的超导导体在压缩后的截面的示意图；

图7b示出图7a中的根据本发明的超导导体的示意性立体图；

图8a至图8d分别示出形成组合或电缆的根据本发明的超导导体的一个或多个的不同布置的示意图；

图9a以立体图示出根据优选实施方式的超导电缆的示意图；

图9b以剖视图示出根据优选实施方式的超导电缆的示意图；

图10a示出根据一实施方式的未扭曲的超导导体的示意图；

图10b示出根据一实施方式的被扭曲的超导导体的示意图。

具体实施方式

在本申请中所选择的位置的详述，诸如上、下、侧面等在不同情况下参照直接描述和示出的附图，并且在改变位置的情况下将类似地转移到新的位置。

图1示出传统的超导导体的截面的示意图。导体包括多个超导带3，每个超导带3具有相同的宽度并且彼此堆叠。堆叠的超导带3的截面是正方形。

图2a和图2b分别示出根据本发明的超导导体100的截面的示意图。图2a和图2b仅在所使用的传导带或超导带各自的数量上具有差异。

不同于图1中的传统的导体，根据本发明的超导导体包括多个第一传导带或超导带1以及多个第二传导带或超导带2。多个第一传导带包括至少一个第一超导带1，并且多个第二传导带包括至少一个第二超导带2。下面，为了简化起见并且为了不失一般性，将考虑所有传导带为超导带的实施方式。

第一超导带1各自具有第一宽度，并且第二超导带各自具有第二宽度，其中第二宽度大于第一宽度。带堆30由超导带1和2构成，因此不具有正方形，而是具有十字形截面。换句话说，超导导体100的截面具有十字形状。为此，根据本发明的超导导体100还被称为十字形导体(缩写为CroCo)。

带堆30能够划分为三个部分，即划分为中间部10和两个端部20。在图2a和图2b所示实施方式中，布置在两个端部20之间的中间部10仅包括第一超导带1，并且两个端部20仅包括第二超导带2。

因此，根据本发明的十字形导体包括具有两种不同截面或宽度的超导带，具体为REBCO带。因此，相比于目前为止所实现的超导体堆，能够更好地利用圆导线的圆截面，同时允许简化生产。利用十字形超传导带堆而不是正方形超传导带堆，使得对截面的利用得到显著改善。当图1中的正方形堆的几何空间系数仅为63.6％时，具有十字形截面的带堆的几何空间系数为78.4％(在第一宽度为6mm且第二宽度为4mm的情况下进行计算)。导体的安培容量或电流密度分别还可以通过对截面的更好的利用得到提升。

然而，原则上，可通过使用具有两种以上的不同宽度的超导带以及形成截面不具有十字形状而是具有多段式形状的带堆，进一步提升几何空间系数。然而，在本发明的架构中，显示出这种多段式形状尤其在导体的可扭曲性上可能并无益处。相反，在本发明的架构中，显示出对带堆仅使用恰好具有两种不同宽度的超导带并由此实现带堆的十字形截面是有利的。

图3示出与根据本发明优选实施方式的超导导体的十字形截面的比例有关的示意图。为了尽可能地利用截面，十字形状具有四重对称性，即，十字形状的垂直于带表面的尺寸与带的宽度对应。带堆的中间部10因此具有高度d₁，其基本上对应于第二超导带2的宽度b₂。每个端部20具有宽度d₂，其基本上对应于第一超导带1的宽度b₁与第二超导带2的宽度b₂之间的差值的一半。端部因此基本上具有以下高度：

d₂＝(b₁–b₂)/2 (2)

其中，

十字形表面与圆周表面之间的表面相关性被最大化。在这种情况下，最大填充区域达到78.7％。对于目前市面上可获得的合适的超导带，该理想的相关性最佳情况下可以是约b₁＝6mm以及b₂＝4mm，即，b₂/b₁＝0.667。因此，最大填充区域达到78.4％，几乎对应于理论最大值。

如果第一超导带的宽度b₁为6mm且第二超导带的宽度b₂为4mm，则在超导带的厚度为0.165mm时，中间部10中的第一超导带的数量N₁和端部20之一中的第二超导带的数量N₂为：

N₁＝4mm/0.165mm24 (4),

N₂＝(6mm-4mm)/0.165mm≈12 (5),

这种情况下，不考虑焊接层的厚度。

例如，对于带堆，可总共使用30至36个带，每个带具有约150至165μm的厚度。对此，优选地，带中的三分之二(即，20至24个)具有6mm的宽度，且带中的三分之一(即，10至12个)具有4mm的宽度。在考虑单个带之间的焊接层的厚度时，其结果，十字形导体的厚度为约5.5mm至6.2mm，即，外部形状几乎为四重对称。

图4a和图4b分别示出根据本发明优选实施方式的超导导体100被压缩之前的截面的示意图。对此，首先，十字形带堆或带堆的单个超导带分别焊接为超导主体40且插入到圆形套管50中，其中超导主体40在插入套管50之前被焊丝45缠绕。

图5a和图5b分别示出超导导体100在被加热至焊接带45的熔化温度以上并通过诸如旋锻和/或拉伸的适当的方法进行压缩之后的截面的示意图。从图5a以及从图5b的立体图中可以看出，图4a或图4b中的焊丝45分别通过加热和/或压缩的方式转化为超导主体40与套管50之间的延伸的焊接层47。

图6a、图6b图7a和图7b分别对应于图4a、图4b、图5a和图5b，区别在于：在图6a、图6b图7a和图7b的示例中，超导导体100包括与超导主体40一同布置在套管50中或者插入套管50中的附加配件60。通过这种方式，能够提升稳定性并且可节省焊剂。

作为焊丝45的替代或者除了焊丝45之外附加地，超导主体40可由其他的或另外的线或条缠绕，所述线或条例如为由铜、铝和/或黄铜制成的金属线或钢丝。这种另外的线能够保证或提升稳定性和/或传导性，尤其在淬火的情况下是如此。

图8a至图8d分别示出用于形成组合或电缆的根据本发明的一个或多个超导导体100的不同布置的示意图。根据本发明的十字形导体100可以如图8a所示单独使用，或者如图8b至图8d所示作为电缆使用，具体地以扭曲组合的形式使用，从而根据具体应用提升安培容量。在图8b中，例如示出了具有彼此扭曲的三个超导导体100的电缆103，图8c中示出了具有彼此扭曲的五个超导导体100的电缆105，并且图8d中示出了具有彼此扭曲的24个超导导体100的电缆124。

如图9a和图9b所示，通过电缆150，为了将超导导体100用于能量传输，可将适于传输电流的一些导体100布置成围绕中心管70或者布置成适当的形式，使得单个导体100的漏磁场最小化。为了冷却超导体，可通过管70泵送冷却剂。此外，如图9a和图9b所示，电缆150可设置有保护涂层80，其中该保护涂层80优选地为电绝缘的。

图10a示出未扭曲的超导导体100的示意图，而图10b中示出了被扭曲的超导导体的示意图。

根据本发明的超导导体100除了高安培电流密度以外还具有良好的电流分布以及低电流耦合长度，其通过在焊锡槽中分别均匀且牢固地焊接超导带或带堆实现。在4.2K的温度以及12T的磁场环境下进行的负载试验或张力试验分别表明，根据本发明的十字形导体仅在与单个超导带的负载相差无几的负载下才开始退化。

附图标记

1 分别具有第一宽度的第一传导带或超导带

2 分别具有第二宽度的第二传导带或超导带

3 超导带

10 中间部

20 端部

30 各个传导带或超导带的带堆

40 超导主体

45 焊接线/焊接带

47 焊接层

50 套管

52 空白区

60 配件

70 管

80 保护涂层

100 超导导体

103 超导导体/电缆束

105 超导导体/电缆束

124 超导导体/电缆束

150 超导导体/电缆束