JP2005100853A - 超電導ケーブル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流通電時における偏流を抑制することができ、かつ、ライン速度を２ｍ／ｍｉｎ以上の高速とした場合でも、位置ズレの緩和が有効に働く超電導ケーブル及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る超電導ケーブルは、管体１７の周囲に転位セグメント１８、２８を螺旋状に管回してなる超電導導体層１０、２０が複数積層された超電導ケーブルであって、前記積層において隣接する上下の超電導導体層１０、２０を構成する転位セグメント１８、２８の管回方向は相互反対方向であり、かつ、個々の超電導導体層１８、２８を構成する転位セグメント１５、２５の撚り方向はそれぞれの転位セグメント１８、２８の管回方向とは逆向きをなす構成を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導ケーブル及びその製造方法に係る。より詳細には、管体の周囲に転位セグメントを螺旋状に管回するとき、高速で管回しても転位セグメントの浮き上がり高さを低く抑えることが可能な、超電導ケーブル及びその製造方法に関する。

超電導変圧器、超電導マグネット、超電導限流器等の超電導応用機器には、テープ状の超電導導体を用いた超電導ケーブルが使用されている。
従来の超電導ケーブルの例としては、ステンレス鋼などからなるパイプ状のフォーマ（管体）の周囲に、テープ状の超電導導体が螺旋状に巻回された超電導導体層が複数積層され、これら超電導導体層の間に層間絶縁層が介在されてなる超電導ケーブルが知られている。その際、上記超電導導体は、超電導体からなるコア部の複数が銀などからなるシース材により覆われて形成されたものである。各超電導体導体層の超電導導体の巻回方向は、交互反対方向となっており、たとえばフォーマ側から第一層目の超電導体導体層の巻回方向がＳ巻（右巻）、第二層目の超電導導体層の巻回方向がＺ巻（左巻）、第三層目の超電導導体層の巻回方向がＳ巻（右巻）、第四層目の超電導導体層の巻回方向がＺ巻（左巻）となっている。

上記コア部をなす材料としては、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_ｘ （Ｂｉ系２２１２相）、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（Ｂｉ系２２２３相），Ｂｉ_１．６Ｐｂ_０．４Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ３Ｏ_ｘ、Ｔｌ_２Ｂａ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ 等の組成を持つ酸化物超電導物質が用いられている。そのうち、Ｂｉ系、特に、Ｂｉ系２２２３相酸化物超電導物質が、高い臨界温度を有し安定な物質としてコア部に利用されている。上記層間絶縁層は、ポリイミドテープなどの絶縁テープを巻回して構成されたものである。このような構成の超電導ケーブルの外周には、通常、保護層が形成されて用いられる（例えば、特許文献１参照）。

従来の超電導ケーブルにおいては、交流電流を通電した場合には各々の超電導導体において、これらに流れる交流電流による自己磁場の影響によって渦電流Ｆが発生する。このとき、シース材が電気抵抗率の低いＡｇ（Ａｇでは２０℃において１．６３μΩｃｍ）等からなるために、渦電流が隣接する超電導導体のシース材に導通してしまう。その結果、超電導導体層の積層体に渦電流が横断して導通するために、超電導ケーブル全体として渦電流が支配的となり、交流損失が大きくなるという問題があった。また、上述のような構造の従来の超電導ケーブルにおいては、超電導導体層間のインダクタンスの違いにより、外側にある超電導導体層ほど電流が多く流れ、内側にある超電導導体層には電流が流れにくくなる偏流が起こるという問題があった。

上記問題を解決するため、交流通電時における交流損失を低減でき、しかも偏流を防止できる超電導ケーブルとして、図５に示すような、テープ状の超電導素線の外周に素線絶縁が施されてなるテープ状の超電導導体５８を複数本転位撚り合わせた転位超電導テープユニット（以下、転位セグメントと呼ぶ）５５を管体の周囲に巻回してなる超電導ケーブルが提案されている（例えば、特許文献２参照）。図５は、従来の転位セグメントの一実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図を、（ｂ）は線Ｃ−Ｃ’に沿った断面図を表す。図５（ａ）において、５４は転位渡り部、５３は非転位渡り部を拘束する保形用テープを表す。図５（ｂ）に示すように、テープ状の超電導素線５８は、厚さｔより十分に大きな幅Ｗを備えている。

このような超電導ケーブルでは、転位セグメントの製造装置である転位集合化装置により決まる一つの撚り方向、すなわちＳ撚り（右巻き）又はＺ撚り（左巻き）のいずれかの撚り方向の転位セグメントを、管体をなすフォーマ周囲に巻き付ける構成を採用していた。換言すると、上述したように、フォーマの周囲に、テープ状の超電導導体が螺旋状に巻回された超電導導体層が複数積層される構成とする際、転位セグメントからなる超電導導体の巻回方向を交互反対方向とする場合でも、転位セグメントとしてはＳ撚り又はＺ撚りの何れか一つの撚り方向のものが使用されていた。

ところで、テープ線を転位撚り合わせ加工して転位渡り長Ｌで両端に保形用テープ５３を設けて拘束してなる転位セグメント５５は、図６に示すように、転位渡り部５１がエッジワイズ曲げされずにギャップｇだけ浮き上がる場合がある。転位渡り部に浮き上がり（ギャップｇ）が生じた状態にある転位セグメント５５をフォーマに巻き付けた場合、浮き上がった部分が無理にフォーマに押し付けられるためテープ線が折れ曲がり、破損する恐れがあった。

そこで、転位セグメント５５をフォーマに巻き付ける場合、フォーマの中心からの距離が転位セグメントの厚さ分だけ内側と外側では異なるため、経路差による位置ズレが発生する。これを解消するするためには、ケーブル製造時に経路差による位置ズレを緩和させるための時間を確保する必要があり、従来は製造時のライン速度を遅くすることにより対応していた。

曲げ半径ｒ（ｍｍ）の巻枠に、厚さｔ（ｍｍ）のテープ状の素線（以下、テープ線と呼ぶ）６本を撚り合わせてなる転位セグメント［渡り長さＬ（ｍｍ）］を例にすると、この転位セグメントにおけるテープ線の左右のズレは、（２／５）×ｔＬ／（ｒ＋２ｔ）で表記される。
一方、ある直径のフォーマに転位セグメントをスパイラルに巻き付ける際の、曲げ直径は、Ｄ＝｛ｄ^２ ＋（Ｌ／π）^２ ｝／ｄで表記される。ここで、Ｄは相当曲げ直径、ｄはフォーマ径、Ｌはスパイラルピッチである。

図７は、位置ズレとフォーマ径の関係を示すグラフである。厚さが０．３ｍｍのテープ線を、各種直径のフォーマにスパイラルピッチを１００〜１０００ｍｍに変えて巻き付けたときの結果である。図７から、従来のケーブル製造条件に相当するフォーマ径２０〜４０ｍｍ、かつ、スパイラルピッチ２００〜８００ｍｍでは、位置ズレが０．０２〜０．１ｍｍであることが分かる。

従来のケーブル製造時には、位置ズレが０．０２ｍｍ以上あると、巻線直前の渡りピッチ間にはテープ線の浮き上がりｇ（図６）が生じており、この浮き上がりｇを次のピッチ間に移動させながら、ケーブル製造を行っていた。このため、隣接した（テープ線の進行方向に対して後方に位置する）渡りピッチへのテープ線余り（浮き上がり）ｇの移動の様子を見ながら製造を行う必要があった。ところで、上記位置ズレは周期性を持っており、０から最大値を経て０に戻る周期を、転位渡り長×撚り本数（ｍｍ）で繰り返すことが分かっている。これは、テープ線が１回転すれば位置ズレが消滅することを意味する。

上記位置ズレに対応するため、以下に示すような方策が検討されてきた。
（１）転位セグメントを構成するテープ線間が長手方向に自由に移動できるテープ抑え方法を採用し、テープ線の長手方向への移動時にセグメントが広がることが無いように非粘着テープをスパイラル状に巻き付ける構成。
（２）テープ線には線間の摩擦を抑える目的で樹脂を塗布することにより、転位セグメント内の位置ズレが素早く緩和する構成。
しかしながら、上記方策による位置ズレの緩和は、転位セグメントを巻き付ける速度（以下、ライン速度と呼ぶ）が２ｍ／ｍｉｎより低いとき有効に働く反面、これを越えるような高速には対応できなかった。
特開平１１−２０３９５９号公報 特願２００３−０５４１８８号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、交流通電時における偏流を抑制することができ、かつ、ライン速度を２ｍ／ｍｉｎ以上の高速とした場合でも、位置ズレの緩和が有効に働く超電導ケーブル及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る超電導ケーブルは、管体の周囲に転位セグメントを螺旋状に管回してなる超電導導体層が複数積層された超電導ケーブルであって、前記積層において隣接する上下の超電導導体層を構成する転位セグメントの管回方向は相互反対方向であり、かつ、個々の超電導導体層を構成する転位セグメントの撚り方向はそれぞれの転位セグメントの管回方向とは逆向きをなしていることを特徴としている。

かかる構成によると、管体の周囲に転位セグメントを螺旋状に管回してなる超電導導体層が複数積層された超電導ケーブルでは、積層において隣接する上下の超電導導体層を構成する転位セグメントの管回方向は相互反対方向をなしている。この交互反対方向を採用することにより、交流通電時における偏流を抑制することができる。
また、個々の超電導導体層を構成する転位セグメントの撚り方向をそれぞれの転位セグメントの管回方向とは逆向きに構成することで、ライン速度が大きい場合でも、位置ズレが有効に緩和されるので、破断などの不具合が生じることがない。
よって、本発明によれば、交流通電時における偏流の抑制が可能であり、かつ、大きなライン速度で製造できる超電導ケーブルが得られる。なお、上述した超電導導体層の積層数は２以上であればよく、その数は特に限定されるものではない。

本発明に係る超電導ケーブルの製造方法は、管体の周囲に転位セグメントを螺旋状に管回してなる超電導導体層が複数積層された超電導ケーブルの製造方法であって、転位撚り方向が左巻である転位セグメントを用い、前記管体の周囲にＳ巻（右巻）方向に管回して前記超電導導体層を形成する工程Ａと、転位撚り方向が右巻である転位セグメントを用い、前記管体の周囲にＺ巻（左巻）方向に管回して前記超電導導体層を形成する工程Ｂと、
を交互に行うことを特徴としている。

上記構成からなる製造方法は、工程Ａと工程Ｂを交互に行うものである。ここで、工程Ａとは、左巻に転位撚りした転位セグメントを用い、管体の周囲にＳ巻（右巻）方向に管回して超電導導体層を形成するものである。工程Ｂは、工程Ａとは逆の右巻に転位撚りした転位セグメントを用い、管体の周囲に工程Ａとは逆のＺ巻（左巻）方向に管回して超電導導体層を形成するものである。

つまり、上記の工程Ａと工程Ｂを交互に行う製造方法を用いることにより、上述した超電導ケーブル、すなわち、管体の周囲に転位セグメントを螺旋状に管回してなる超電導導体層が複数積層されており、前記積層において隣接する上下の超電導導体層を構成する転位セグメントの管回方向は相互反対方向であり、かつ、個々の超電導導体層を構成する転位セグメントの撚り方向はそれぞれの転位セグメントの管回方向とは逆向きをなす超電導ケーブルを作製することができる。

上記製造方法では、個々の超電導導体層を形成する際に、それぞれの転位セグメントの管回方向とは逆向きとした撚り方向の転位セグメントを用いたので、従来より大きなライン速度で製造しても、転位セグメントが管体に管回されるとき発生する位置ズレが安定して緩和される。よって、本発明は、高速の製造条件でも破断などの不具合が生じにくいことから、安定した超電導特性を保ちながら、製造コストの大幅な低下をもたらす。

以上説明したように、本発明の超電導ケーブルは、積層され隣接する上下の超電導導体層を構成する転位セグメントの管回方向が相互反対方向であり、かつ、個々の超電導導体層を構成する転位セグメントの撚り方向はそれぞれの転位セグメントの管回方向とは逆向きをなす構成を採用した。これにより、交流通電時における偏流の抑制が図れると共に、ライン速度を上げても不具合の生じにくい超電導ケーブルが安定して得られる。よって、本発明は、安定した超電導特性を備え、しかも安価な超電導ケーブルの提供に寄与するものである。

また、本発明に係る製造方法では、上記転位セグメントの管回方向を相互反対方向とする際に、転位セグメントの管回方向とは逆向きをなす撚り方向の転位セグメントを用いて超電導ケーブルを作製することにより、従来の倍速を越えるような速度でも、破断などの不具合を発生させることなく、安定した超電導特性を有する超電導ケーブルを作製できる。ゆえに、本発明の製造方法は、従来の超電導ケーブルの製造ラインをそのまま使いながら、量産時の製造速度を大幅に向上できるので、製造コストの著しい低減をもたらす。

以下では、本発明に係る超電導ケーブルの一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る超電導ケーブルを例示する斜視図であり、フォーマと呼ばれる管体１７の周囲に転位セグメント１５、２５を螺旋状に管回してなる超電導導体層１０、２０を２つ積層した場合を示している。この超電導ケーブルでは、積層において隣接する上下の超電導導体層１０、２０を構成する転位セグメント１５、２５の管回方向は相互反対方向であり、かつ、個々の超電導導体層１０、２０を構成する転位セグメント１５、２５の撚り方向はそれぞれの転位セグメントの管回方向とは逆向きをなしている。
なお、図１には、超電導導体層の積層数を２とした事例を示しているが、上記構成が満足されるならば、３以上の積層数としたものにも、本発明は有効である。

フォーマ１７は、ステンレス鋼などからなるものである。フォーマ１７の表面は、該フォーマ１７と超電導導体層１０、２０との間の通電を抑制するために絶縁処理が施されている。このフォーマ１７の内部は、液体窒素などの冷却媒体の流路とされ、超電導導体層１０、２０の冷却が行われる。

図１において、内側に位置する超電導導体層１０では、テープ線１８がＺ巻（左巻）に転位撚りした転位セグメント１５が用いられ、転位セグメント１５は管体１７の周囲にＳ巻（右巻）方向に管回されている。これに対して、外側に位置する超電導導体層２０では、テープ線２８がＳ巻（右巻）に転位撚りした転位セグメント２５が用いられ、転位セグメント２５は管体１７の周囲にＺ巻（左巻）方向に管回されている。

図２は、図１において内側に位置する超電導導体層１０で用いられる転位セグメント１５の一例を示す図であり、図２（ａ）は斜視図を、図２（ｂ）は線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。これに対し、図３は、図１において外側に位置する超電導導体層２０で用いられる転位セグメント２５の一例を示す図であり、図３（ａ）は斜視図を、図３（ｂ）は線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。

図２と図３から明らかなように、いずれの転位セグメント１５、２５もテープ状の超電導導体からなるテープ線１８、２８を複数本（図２、３では６本）転位撚り合わせしたものであり、この撚り合わす際に、各テープ線１８、２８がその長尺方向において、順次その位置を代えて変位するように撚り合わされたものである。ただし、転位セグメント１５におけるテープ線１８の撚り方向と、超電導導体層２０におけるテープ線２８の撚り方向は逆向きをなしている点のみ相違している。

また、いずれの転位セグメント１５、２５においても、ポリイミド樹脂等からなる保形用テープを管回したテープ止め部１３、２３が、転位渡り部１４、２４の両端（非転位渡り部とも呼ぶ）に形成されており、転位撚りした複数本のテープ線１８、２８の転位撚りが崩れないように固定されている。

上記テープ線１８、２８としては、金属基板上に中間層を介して高温超電導材料が形成された超電導素線が用いられ、その断面形状としては厚さｔより幅Ｗが大きいの矩形状（幅広形状とも呼ぶ）が望ましい。この超電導素線としては、幅（Ｗ）が１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度、厚さ（ｔ）が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲をとるものが好ましい。

特に、図２及び図３におけるテープ線１８、２８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）からなる中間層を介してＹ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（Ｙ１２３）が成膜された酸化物超電導材料などの高温超電導材料を設けてなるテープ状の超電導素線が好適である。超電導材料としては、Ｂｉ_２ Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_ｘ（Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ （Ｂｉ２２２３）、Ｂｉ_１．６Ｐｂ_０．４Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘなどのＢｉ系銀シース線材が用いられる他に、Ｙ１２３などのＹ系を用いてもよい。

図１に示すような、Ｂｉ系銀シーステープ線から構成される超電導ケーブルを作製した。まず、内側に位置する超電導導体層１０として、テープ線１８を左巻に転位撚りした転位セグメント１５を用い、転位セグメント１５を管体１７の周囲にＳ巻（右巻）方向に管回した。次いで、外側に位置する超電導導体層２０として、テープ線２８が右巻に転位撚りした転位セグメント２５を用い、転位セグメント２５を管体１７の周囲にＺ巻（左巻）方向に管回することにより、本発明に係る構成の超電導ケーブルαを得た。

その際、テープ線１８、２８としては、厚さ（ｔ）が０．３ｍｍ、幅（Ｗ）が２ｍｍのテープ線を用いた。転位セグメント１５は、撚り方向を左巻とし、転位渡り長は１００ｍｍとした。これに対して、転位セグメント２５は、撚り方向を右巻とし、転位渡り長は１００ｍｍとした。転位セグメント１５、２５を管回する際にはスパイラル（螺旋）状とし、スパイラルピッチを３００ｍｍとした。このように巻き付けたとき、巻き付け直前の浮き上がり高さを、超電導ケーブルαについて測定した。その結果を表１に示す。なお、この場合の計算から求めた位置ズレは０．０５ｍｍに相当する。

また、比較のため、テープ線１８とテープ線２８の転位撚り方向を同じ方向とした転位セグメント１５、２５を用い、それぞれの転位セグメント１５、２５は相互反対方向をなすように管回した超電導導体層１０、２０を形成してなる超電導ケーブルβを作製した。その際、他の作製条件は同様とした。この超電導ケーブルβについても同様に、巻き付け直前の浮き上がり高さを測定し、その結果を表１に示した。なお、この場合も計算から求めた位置ズレは０．０５ｍｍに相当する。表１より、上下の転位セグメントの撚り方向を逆方向とすることにより、浮き上がりを１／８に抑制できることが分かった。

さらに、同じ仕様の超電導ケーブルαと超電導ケーブルβについて、ライン速度を変えて試作した。図４は、ライン速度と最大浮き上がり高さとの関係を示すグラフである。
図４から明らかなように、上下の転位セグメントの撚り方向を同じ方向とした超電導ケーブルβの場合（○印）には、ライン速度を２ｍ／ｍｉｎとしたとき、３ｍｍの浮き上がりが生じ、数ｍ製作したところで導体製造途中に断線が発生した。
これに対し、上下の転位セグメントの撚り方向を逆方向とした超電導ケーブルαの場合（□印）には、ライン速度を６ｍ／ｍｉｎまで上げても浮き上がりは２ｍｍ以下であった。この場合は８ｍ／ｍｉｎのときに３ｍｍの浮き上がりが発生し、製作途中で断線が発生した。

上下の転位セグメントの撚り方向を逆方向とした超電導ケーブルαとして、表２に示す設計諸元の超電導ケーブルを作製した。

表２に示した設計諸元の超電導ケーブルを作製する際にライン速度を測定した。従来は超電導特性の劣化を防止するためライン速度を１．０ｍ／ｍｉｎ程度に抑えて製造する必要ががあった。これに対して、表２に示した設計諸元の超電導ケーブルを製造する際には、ライン速度を５．０ｍ／ｍｉｎまで速くして製造を行ったが、得られた超電導ケーブルの超電導特性は、設計性能を十分満足することが確認された。この結果から、本発明に係る超電導ケーブルは、ライン速度を従来の５倍まで速くしても特性に影響させることなく、その製作が可能であることが明らかとなった。

本発明によれば、交流通電時における偏流の抑制が図れると共に、ライン速度を上げても不具合の生じにくい超電導ケーブルを安価に提供できる。

本発明に係る超電導ケーブルの一例を示す斜視図である。 図１において内側に位置する超電導導体層で用いられる転位セグメントの一例を示す図であり、（ａ）は斜視図を、（ｂ）は線Ａ−Ａ’に沿った断面図を表す。 図１において外側に位置する超電導導体層で用いられる転位セグメントの一例を示す図であり、（ａ）は斜視図を、（ｂ）は線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図を表す。 ライン速度と最大浮き上がり高さとの関係を示すグラフである。 従来の転位セグメントの一実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図を、（ｂ）は線Ｃ−Ｃ’に沿った断面図を表す。 転位セグメントにおける浮き上がりの状態を説明する図である。 フォーマ径と位置ズレとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１０、２０ 超電導導体層、１３、２３ 保形用テープ、１５、２５ 転位セグメント、１７ ファーマ（管体）、１８、２８ テープ線。

Claims (2)

1. 管体の周囲に転位セグメントを螺旋状に管回してなる超電導導体層が複数積層された超電導ケーブルであって、
   前記積層において隣接する上下の超電導導体層を構成する転位セグメントの管回方向は相互反対方向であり、かつ、個々の超電導導体層を構成する転位セグメントの撚り方向はそれぞれの転位セグメントの管回方向とは逆向きをなしていることを特徴とする超電導ケーブル。
2. 管体の周囲に転位セグメントを螺旋状に管回してなる超電導導体層が複数積層された超電導ケーブルの製造方法であって、
   転位撚り方向が左巻である転位セグメントを用い、前記管体の周囲にＳ巻（右巻）方向に管回して前記超電導導体層を形成する工程Ａと、
   転位撚り方向が右巻である転位セグメントを用い、前記管体の周囲にＺ巻（左巻）方向に管回して前記超電導導体層を形成する工程Ｂと、
   を交互に行うことを特徴とする超電導ケーブルの製造方法。
   

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