JP2004349161A

JP2004349161A - 転位セグメント導体

Info

Publication number: JP2004349161A
Application number: JP2003146416A
Authority: JP
Inventors: Tomoshi Suzuki; 知史鈴木; Kenji Goto; 謙次後藤; Takashi Saito; 隆斉藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】転位セグメントを複数本、管体の周囲に、螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、基体周方向に生じる曲げ歪を抑制することが可能な、転位セグメント導体を提供する。
【解決手段】本発明に係る転位セグメント導体１００は、超電導テープ線材を複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメント１０を複数本、円筒状コアからなる管体１の周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、管体１は剛性の高い内層部２と剛性の低い外層部３からなり、転位セグメント１０の各々の少なくとも一部は、管体１の外層部３に埋設されるように載置されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数本の超電導テープ線材を転位撚り合わせてなる転位セグメントを管体の周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体に係る。より詳細には、管体に巻き付けられた超電導テープ線材がその幅方向に受ける歪みを抑制することが可能な転位セグメント導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導ケーブルに代表される転位セグメント導体に、交流電流を通電した際に偏流を抑制する方法として、テープ状の超電導体からなる素線を複数本、転位撚り合わせてなる、転位超電導テープユニットと呼ばれる転位撚線構造（以下、転位セグメントと略称する）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２０３９５８号公報
【０００４】
図４は従来の転位セグメントを示す一例であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）はＹ−Ｙ’部分の断面図である。図４に示すように、例えば複数本のテープ状の素線８１０を転位撚り合わせた転位セグメント２０は、特定の素線８１０が、隣接する他の素線８１０の上に向かって渡る転位部（以下、転位渡り部と呼ぶ）８２０を形成している。例えば素線８１０が柔軟性に富んだ例えば金属材料で構成される場合には、素線８１０の幅を例えば２ｍｍ程度とすれば、転位渡り部８２０の長さを１００ｍｍ程度に設定することができる。
【０００５】
また、上記構成からなる転位セグメント８００では、その構造を保持させるために、隣り合う転位渡り部８２０、８２０間（以下、非転位渡り部８３０と呼ぶ）の所定箇所が、保形テープ８４０によって結束されている。保形テープ８４０は一方の面全体に粘着剤が塗布されたもので、この粘着剤を介して素線８１０に貼着固定されている。
【０００６】
上記構成からなる転位セグメントを複数本、円筒状コアからなる管体（通称フォーマと呼称する）の周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体が広く知られている。その際、素線としてＢｉ系超電導材料からなる線材を用い、素線の幅を２ｍｍ以下、厚さを０．２ｍｍ以上としたものが利用されている。しかしながら、Ｂｉ系超電導材料からなる線材は電流密度が低く、シース材に銀を用いているため強度が弱いという問題があった。
【０００７】
上記問題を解消するため、Ｂｉ系超電導材料に代えてＹ系超電導材料の素線を用いた転位セグメントの開発が進められてきた。このＹ系超電導材料からなる転位セグメントを作製し、この転位セグメントで上述した構成の転位セグメント導体を製造し、液体窒素温度で使用可能な超電導ケーブルに用いる研究・開発が鋭意進められている。
【０００８】
ところが、現在主に作製されているＹ系超電導材料の素線は、幅が１０ｍｍ程度、厚さが０．１ｍｍ程度のテープ形状をなしている。このような寸法からなるテープ状の素線を単線で、あるいはテープ状の素線を複数本、撚り合わせてなる転位セグメントを、前述したフォーマに螺旋状に巻き付けた後、その上から絶縁テープを巻き付けた場合について、本発明者らは検討した。
【０００９】
図５は、従来の転位セグメント導体において転位セグメントを管体（フォーマ）に螺旋状に巻き付けた状態を示す図であり、（ａ）はフォーマの軸方向から見た断面図、（ｂ）はフォーマ上に配された転位セグメントを上空から見た平面図である。図５（ａ）から明らかなように、テープ状の素線は、フォーマの外周方向に、フォーマ径相当の曲げ径で曲げられる力を受けた状態で固定されるので、場合によっては大きな歪みを受けることが分かった。極端な場合には、図５（ａ）に示すように、転位セグメントの内部で幅方向において中折れ現象が発生する恐れがある。
【００１０】
図５（ｂ）は、非転位渡り部を保形テープで結束し、転位渡り部にはそれぞれ５箇所（□印、番号１〜１０で示す部分）に歪ゲージを設けた状態を示している。本発明者らは、厚さ０．１ｍｍ、幅５ｍｍからなるテープ状の素線を６本撚り合わせて形成した転位セグメントを、径２２ｍｍのフォーマに螺旋巻きした場合の転位渡り部上に、歪ゲージを上述したとおり設け、各位置における歪みを測定した。
【００１１】
図６は、歪ゲージの取り付け位置と周方向の曲げ歪との関係を示すグラフである。図６より次の点が明らかとなった。
（ａ）全ての測定地点、すなわち□印と番号α１〜番号α１０で示す全ての地点において、少なからず周方向の曲げ歪が観測された。
【００１２】
（ｂ）保形テープで結束された非転位渡り部の近傍に位置する測定地点における周方向の曲げ歪が極小値をなす傾向を示す。
【００１３】
（ｃ）周方向の曲げ歪は非転位渡り部から離れるに従い増加傾向を示し、非転位渡り部とその隣に位置する非転位渡り部との間の真ん中付近、すなわち転位渡り部の中心付近において、周方向の曲げ歪は極大値を有する。
【００１４】
（ｄ）上記グラフの結果から、周方向の曲げ歪は、非転位渡り部の付近で極小となり、転位渡り部の中心付近で極大となる正弦波（点線で示した曲線）とよく似た曲線形状をなすことが判明した。
【００１５】
（ｅ）なお、図６において縦軸０．４４付近を示す実線は、フォーマの径と転位セグメントの厚さから算出した歪を表しており、実測した周方向の曲げ歪の極大値とこの実線は、極めて一致することが確認された。
【００１６】
このように周方向の曲げ歪が存在する転位セグメントを備えた転位セグメント導体では、図５（ａ）に示すように、極端な場合には転位セグメントの内部で幅方向において中折れ現象が発生する恐れがあり、電気伝導特性を大きく阻害する要因となる。
【００１７】
したがって、電気ロスが生じたり、ひいては破断の危険性すらあるため、安定した電気伝導特性を維持するとともに、高い長期信頼性を確立するという側面からも、上記のような周方向の曲げ歪が発生しない構造を備えてなる転位セグメント導体の開発が期待されていた。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、転位セグメントを複数本、フォーマと呼ばれる円筒状コアからなる管体の周囲に、螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、基体周方向に生じる曲げ歪を抑制することが可能な、転位セグメント導体及び超電導ケーブルを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る転位セグメント導体は、超電導テープ線材を複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメントを複数本、円筒状コアからなる管体の周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、前記管体は剛性の高い内層部と剛性の低い外層部からなり、前記転位セグメントの各々の少なくとも一部は、該管体の外層部に埋設されるように載置されていることを特徴としている。
【００２０】
すなわち、かかる構成の転位セグメント導体では、転位セグメントを螺旋状に巻き付ける管体として剛性の高い内層部と剛性の低い外層部からなるものを用いているので、管体に対して外力が加わった場合、まず剛性の低い外層部のみ変形を起こし、この外層部をその下に位置する剛性の高い内層部が支えることが可能となる。
【００２１】
そのため、上記転位セグメント導体においては、転位セグメントの各々の少なくとも一部が、管体を構成する剛性の低い外層部に食い込み、埋設されるように載置した構造を採ることができる。その結果、転位セグメントはその周方向に生じる曲げ歪の発生を極力抑えることが可能となり、これは転位セグメント導体に安定した電気伝導特性と高い長期信頼性をもたらす。
【００２２】
上記の転位セグメント導体において、前記管体の外層部は、前記転位セグメントに比べて剛性が低く、変形領域が広く、かつ低温に強い樹脂からなることが好ましい。
【００２３】
管体の外層部をなす樹脂が、転位セグメントより低い剛性をもつことにより、転位セグメントは管体の外層部から外力を受けにくくなる。また、変形領域が広ければ、小さな外力はもとより、大きな外力に対してもその大きさに応じた変形を、管体の外層部は行うことができる。さらに、転位セグメント導体は、例えば液体窒素や液体ヘリウムで冷却することにより良好な超電導特性を示すことから、この転位セグメント導体を支持する管体の外層部を構成する樹脂は低温に強いことが望ましい。
【００２４】
本発明に係る転位セグメント導体では、前記管体の外層部に対して前記転位セグメントを押しつけるように、該転位セグメントの外側から支持用テープを巻き付けてなる形態が好ましい。
【００２５】
このように管体に載置された転位セグメントをその外側から、支持用テープで巻き付けることにより、局所的に偏ることなく、広範囲にわたって均一に、転位セグメントを管体の外層部に対して所望の位置となるように固定できる。したがって、この支持用テープは、転位セグメントを構成する超電導テープ線材に大きな電流を流した場合でも、転位セグメントが電磁力により位置ズレするのを抑制手段として機能する。
【００２６】
本発明に係る転位セグメント導体は、上記のように支持用テープを巻き付けた際に、隣り合う位置にある前記転位セグメントは互に接触しないように配置されていることが望ましい。
【００２７】
また、本発明に係る転位セグメント導体は、上記のように支持用テープを巻き付けた際に、前記転位セグメントは前記管体の内層部と接することなく、該管体の外層部とのみ接した状態にあることが望ましい。かかる構成によれば、転位セグメントがその外側から支持用テープで押さえつけられた場合、その外力は剛性の低い管体の外層部によって十分に緩和される。
【００２８】
つまり、剛性の低い管体の外層部が転位セグメントに対してクッション材のように働くこととなり、転位セグメントが保形用テープと剛性の高い管体の内層部とに挟まれて、その平坦性を失ったり、あるいは歪んだりするという不具合が発生するのを低減できるので、かかる構成は安定した超電導特性をもたらす。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明に係る転位セグメント導体の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１（ａ）は、本発明に係る転位セグメント導体の一実施形態を示す断面図であり、この形態の転位セグメント導体１００は、超電導テープ線材を複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメント１０を複数本、円筒状コアからなる管体１の周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、この管体１は剛性の高い内層部２と剛性の低い外層部３からなり、転位セグメント１０の各々の少なくとも一部１０’は、管体１の外層部３に埋設されるように載置されている。
【００３１】
前述したフォーマと呼ばれる管体１は、剛性の高い内層部２と剛性の低い外層部３から構成されており、前者の内層部２としては、例えばステンレス鋼、銅パイプなどの金属材料からなるものが用いられる。後者の外層部３としては、例えばシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、紫外線硬化樹脂などの樹脂材料からなるものが用いられる。これらの樹脂材料の弾性率は、０．１〜５０ＧＰａが好ましい。
【００３２】
このような管体１の表面は、管体１と転位セグメント１０との間の通電を抑制するために絶縁処理が施される形態が望ましい。したがって、外層部３としては、電気的に絶縁性または半導電性を示すものが好適である。なお、図１では省略してあるが、管体１の内部空間すなわち内層部２の内部空間には、内部冷媒流路が設けられる。
【００３３】
管体１の外層部３としては、転位セグメント１０に比べて剛性が低く、変形領域が広く、かつ低温に強い樹脂からなるものが好ましい。転位セグメントの剛性は、１５０〜２５０ＧＰａの範囲内にあることから、外層部３の剛性はこの下限値より低いものが望ましい。ここで、変形領域が広いとは、弾性限界歪が大きいことを意味する。低温に強いとは、冷却収縮により割れることが無いことを指す。管体１の外層部３として、この３つの特性を満たす樹脂としては、例えばデソライトＲ１１６６（ＪＳＲ社製）が挙げられる。
【００３４】
これに対して、管体１の内層部２としては、いわゆる剛性体が好ましく、例えば延性があり、剛性が高く、塑性変形する金属からなるものが好適に用いられる。特に、内層部２は、外層部３上に転位セグメント１０を配し、後述するように転位セグメント１０をその外側から支持用テープ４で押しつけた際に、その形状が保持されることが好ましい。内層部２の仕様としては、ヤング率が１００ＧＰａ以上、降伏応力又は耐力が５００ＭＰａ以上で、降伏歪が小さいものが望ましく、具体的にはステンレス鋼やリン青銅のような銅合金などが挙げられる。
【００３５】
図１（ｂ）は、本発明に係る転位セグメント導体の他の一実施形態を示す断面図である。図１（ｂ）の転位セグメント導体は、管体１の外層部３に対して転位セグメント１０を押しつけるように、転位セグメント１０の外側から支持用テープ４を巻き付けて設けた点が、前述した図１（ａ）の転位セグメント導体と相違する。
【００３６】
転位セグメント１０を管体１の外周側に押しつけて保持させる役目を担う支持用テープ４としては、絶縁性または半導電性の材料が好ましく、具体的な材料としてはカーボン紙、クラフト紙、テフロン（登録商標）テープ、ポリイミドテープなどが挙げられる。
【００３７】
また転位セグメント導体１００においては、支持用テープ４を巻き付けた際に、転位セグメント１０が管体１の内層部２と接することなく、管体１の外層部３とのみ接した状態にあることが望ましい。このような状態が維持されるならば、転位セグメント１０がその外側から支持用テープ４で押さえつけられた場合に、その外力は剛性の低い管体１の外層部３によって十分に緩和される。
【００３８】
図２は、図１の転位セグメント導体を構成する転位セグメントの一例を示す概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＸ−Ｘ’部分の断面図である。図２に示すように、転位セグメント１０は、複数本の超電導テープ線材３１０を転位撚り合わせてなり、特定の超電導テープ線材３１０が、隣接する他の超電導テープ線材３１０の上に向かって渡る転位部（以下、転位渡り部と呼ぶ）３２０を形成している。
【００３９】
なお、図２に示すように、転位セグメント１０はその構造を保持するために、隣り合う転位渡り部３２０、３２０間（以下、非転位渡り部３３０と呼ぶ）の所定箇所を、保形用テープ３４０によって結束しても構わない。その際、保形用テープ３４０は、一方の面全体に粘着剤が塗布されたものが好適に用いられ、この粘着剤を介して超電導テープ線材３１０に貼着固定されている。
【００４０】
超電導テープ線材３１０としては、図２（ｂ）に示すようにテープ状の平角断面を備えた線材であれば、いかなる材料の線材であっても構わない。特に、例えば基材上に超電導層を設けてなる線材は、その断面形状が矩形状をなすので好適である。
【００４１】
超電導テープ線材３１０としては、金属基材上に酸化物超電導層を形成したもの３１１以外に、例えば、断面視円形状の超電導多心素線（不図示）が圧延加工等により平坦化されたものを用いても構わない。その際、超電導多心素線を構成する超電導素線の横断面形状は、矩形状とすることが好ましい。
【００４２】
本発明で用いる超電導テープ線材３１０としては、ハステロイ等の金属基板上にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）中間層を介してＹ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（Ｙ１２３）が成膜された酸化物超電導材料をはじめ、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_ｘ（Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（Ｂｉ２２２３）、Ｂｉ_１．６Ｐｂ_０．４Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘなどで示される組成をもつ酸化物超電導材料などの高温超電導材料、あるいはＮｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３ＡｌなどのＡ１５型材料からなる低温超電導材料を例示することができる。例えば、幅５ｍｍで厚さが０．１ｍｍのＹＢＣＯ線材（ハステロイ基板／ＹＳＺ中間層／ＹＢＣＯ超電導体層）が挙げられる。
【００４３】
これらは１種を単独で用いても良いし、複数種を併用しても良い。これらは、単体では機械的に脆い性質を有する材料として知られている。また、絶縁被覆層３１２を紫外線硬化型樹脂被膜により構成することもできる。
【００４４】
前述した絶縁被覆層３１２を構成する絶縁材料としては、例えばポリエステル、ポリエステルイミド、ポリエステルイミドヒダントイン、エナメルなどが用いられる。
【００４５】
以下では、上述した本発明に係る転位セグメント導線の具体例として、超電導ケーブルの実施形態について図４に基づき説明する。
【００４６】
図４は、転位セグメント導線が超電導ケーブルをなす一実施形態を示す斜視図である。図４においては、超電導ケーブルの全体構成を詳述するため、図１に示した本発明に係る管体１の内部構成、すなわち内層部２と外層部３は省略してあり、管体１のことを図４ではフォーマ（管体）４７７と呼称する。
【００４７】
本実施形態の超電導ケーブル４７０は、交流電流通電時において偏流を抑制した構造を有するもので、パイプ状のフォーマ（管体）４７７の周囲に上記の転位セグメント１０が螺旋状に巻回されて複数の超電導体層４８４が積層され、これら超電導体層４８４、４８４間に絶縁テープ等からなる層間絶縁層４８５が形成されたものである。また、超電導ケーブル４７０の外側には、図示しない半導体層、絶縁層、保護層、断熱層、防食層などが必要に応じて設けてもよい。
【００４８】
フォーマ４７７はステンレス鋼などからなり、その表面にはフォーマ４７７と転位セグメント１０との間の通電を抑制するため絶縁処理が施されている。また、内部の空洞は液体窒素等の冷却媒体の流路として用いられ、転位セグメント１０を構成する複数の素線の冷却が行われるようになっている。
【００４９】
以上の超電導ケーブル４７０では、転位セグメントと管体との間に、転位セグメントの幅と略同一の幅を有し、少なくともこの転位セグメントが接するように平板状の剛性体を配したことにより、転位セグメントを管体の周囲に螺旋状に巻き付けた際に、転位セグメント１０はフォーマ４７７の外側に位置する剛性の低い外層部３に押し付けられる。
【００５０】
したがって、転位セグメント１０の構造は常に安定に保持されるので、転位セグメント１０がフォーマ４７７の周方向に曲げられ、大きな歪みを受けるという従来の問題は解消される。このことは、安定した超電導特性をもたらす。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る転位セグメント導体では、管体を剛性の高い内層部と剛性の低い外層部に二分した構成を採用した。そして、転位セグメントと直接に接触する管体の外層部に、転位セグメントの各々の少なくとも一部が埋設されるように載置した。
【００５２】
本発明に係る転位セグメント導体は、このような構成を採用したことにより、転位セグメントが管体の周方向に曲げられ、大きな歪みを受けるという従来の問題が解消される。したがって、本発明は、超電導特性の極めて安定な、長期信頼性の高い超電導ケーブルの提供に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る転位セグメント導体の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る転位セグメントの一実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明に係る超電導ケーブルの一実施形態を示す斜視図である。
【図４】従来の転位セグメントの一実施形態を示す概略図である。
【図５】従来の転位セグメント導体の一実施形態を示す断面図（ａ）と上方から見た平面図（ｂ）である。
【図６】歪ゲージ取り付け位置と周方向曲げ歪との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
α１〜α１０歪ゲージ取り付け位置、１、９０１管体、２内層部、３外層部、４支持テープ、１０、２０転位セグメント、３１０超電導テープ線材、３２０転位渡り部、３３０非転位渡り部、３４０保形用テープ、４７０超電導ケーブル。

Claims

超電導テープ線材を複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメントを複数本、円筒状コアからなる管体の周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、
前記管体は剛性の高い内層部と剛性の低い外層部からなり、前記転位セグメントの各々の少なくとも一部は、該管体の外層部に埋設されるように載置されていることを特徴とする転位セグメント導体。
前記管体の外層部は、前記転位セグメントに比べて剛性が低く、変形領域が広く、かつ低温に強い樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の転位セグメント導体。
前記管体の外層部に対して前記転位セグメントを押しつけるように、該転位セグメントの外側から支持用テープを巻き付けてなることを特徴とする請求項１に記載の転位セグメント導体。
前記支持用テープを巻き付けた際に、前記転位セグメントは前記管体の内層部と接することなく、該管体の外層部とのみ接した状態にあることを特徴とする請求項３に記載の転位セグメント導体。