JP2005116233A - 転位セグメント導体 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、管体周方向に生じる曲げ歪を抑制でき、かつ剛性の高い基材を使用しても転位渡り部が容易にエッジワイズ曲げ可能であり転位渡り部が浮き上がることがほとんどない転位セグメント導体を提供する。
【解決手段】 本発明は、厚さに対して幅が大きいテープ状の素線２を複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメント３を、管体４の周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体１において、前記管体４の直径をＤ［ｍｍ］、前記素線２の厚さをｔ［ｍｍ］、前記素線２の幅をＷ［ｍｍ］、前記素線２の許容歪をε_ｐ、前記転位セグメント３の転位渡り部の長さをＬ［ｍｍ］とすると、前記素線２の厚さｔが下記式（１）を満たす構成とする。
｛Ｗ^２／（０．６Ｌ）｝＜ｔ＜｛Ｄε_ｐ／（１−ε_ｐ）｝・・・・・・（１）
【選択図】 図１

Description

本発明は、テープ状の超電導素線を複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメント導体に関する。

従来、図５に示されたように、超電導ケーブルとして、テープ状の超電導体からなる素線１０２を複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメント１０３を、円筒状コアからなる管体（通称フォーマと呼称する）１０４の周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体１０１が広く知られている（例えば、特願２００３−５４１８８，特許文献１参照）。
前記素線１０２として、Ｂｉ系超電導材料からなる線材を用い、素線１０２の幅Ｗを２ｍｍ以下、厚さｔを０．２ｍｍ以上としたものが利用されていたが、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。

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１０２を用いた転位セグメント１０３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１０３を作製し、この転位セグメント１０３で上述した構成の転位セグメント導体１０１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。
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１０２は、幅Ｗが１０ｍｍ程度、厚さｔが０．１ｍｍ程度のテープ形状をなしている。このようなアスペクト比（Ｗ／ｔ）の大きいテープ状の素線１０２を複数本、撚り合わせてなる転位セグメント１０３を、前述したフォーマ１０４に螺旋状に巻き付けた後、その上から絶縁テープなどの被覆テープを巻き付けた場合、図６に示されたように、テープ状の素線１０２は、フォーマ１０４の外周方向に、フォーマ１０４の直径Ｄ相当の曲げ径で曲げられ、大きな歪を受けることになる。

図７は、フォーマ１０４に巻回された転位セグメント１０３の平面図である。非転位渡り部１３２を保形テープ１０５で結束し、転位渡り部１３１にはそれぞれ５箇所（□印、番号α１〜α１０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ｔが０．１ｍｍ、幅Ｗが５ｍｍのテープ状の素線１０２を６本撚り合わせて形成した転位セグメント１０３に歪ゲージを前記したとおり設け、この転位セグメント１０３を直径Ｄが２２ｍｍのフォーマ１０４に螺旋巻きし、各位置における歪みを測定した。
図８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図である。図８中、実線は、ε（＝ｔ／（Ｄ＋ｔ））＝０．００４５（０．４５％）を満たす直線である。一般に、素線１０２のアスペクト比が２０以上の場合、周方向の曲げ歪の最大値εは、ε＝ｔ／（Ｄ＋ｔ）にほぼ一致することが知られており、測定された曲げ歪の極大値と前記実線とは、極めて一致することが確認された。

素線１０２が３層重ねられた転位セグメント１０３を用いた転位セグメント導体１０１では、現在のところフォーマ径Ｄが２１．４ｍｍ以下のフォーマ４が用いられており、１６ｍｍのフォーマ４を用いたものも提案されている。このため、素線１０２に加わる周方向の曲げ歪の最大値εは、０．４５％以上となることが考えられる。
一方、Ｙ系超電導材料は曲げ歪が０．４％を越えると電気伝導特性などが劣化することが報告されている（非特許文献１参照。）。
従って、Ｙ系超電導素線を用いた場合、許容歪みが０．４％以下であるとすると、明らかに許容歪みを上回る曲げ歪が素線１０２に加わることになり、極端な場合には転位セグメント１０３の内部で幅方向において中折れ現象が発生し、転位セグメントの構造が乱れる恐れがあり、電気伝導特性を大きく阻害する要因となる。このように、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ほとんど発生しない構造を備えてなる転位セグメント導体１０１の開発が期待されていた。

また、強度が強く高剛性の素線１０２を転位撚り合わせ、転位渡り長Ｌで両端側に保形テープ１０５を設けて拘束すると、図９に示すように転位渡り部１３１がエッジワイズ曲げ（超電導素線１０２の長手方向に歪みが生じる曲げ）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１３１が浮き上がると転位セグメント導体１０１等の作製途上で転位セグメント１０３をドラムに巻いた場合、浮き上がった部分が無理にドラム面に押しつけられるため素線１０２が折れ曲がり、破損することがある。
特開平１１−２０３９６１号公報 飯島康裕，アドバンス・イン・スーパーコンダクティビティー（Advance in Superconductivity）ＸＩ，シュプリンガー・フェアラーク・東京（Springer-Verlag Tokyo）株式会社，１９９９年，ｐ．７８５−７８８

本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち、管体周方向に生じる曲げ歪を抑制でき、かつ剛性の高い基材を使用しても転位渡り部が容易にエッジワイズ曲げ可能であり転位渡り部が浮き上がることがほとんどない転位セグメント導体を提供することを目的とする。

本発明に係る転位セグメント導体は、厚さに対して幅が大きいテープ状の素線を複数本、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おいて、前記管体の直径をＤ［ｍｍ］、前記素線の厚さをｔ［ｍｍ］、前記素線の幅をＷ［ｍｍ］、前記素線の許容歪をε_ｐ、前記転位セグメントの転位渡り長をＬ［ｍｍ］とすると、前記素線の厚さｔは、下記式（１）を満たす関係にあることを特徴とする。
｛Ｗ^２／（０．６Ｌ）｝＜ｔ＜｛Ｄε_ｐ／（１−ε_ｐ）｝・・・・・・（１）
素線の幅ｔがｔ＜｛Ｄε_ｐ／（１−ε_ｐ）｝を満たす値とすることによって、素線に加わる曲げ歪みの最大値が許容歪ε_ｐよりも小さくなり、これにより転位セグメントの構造が乱れることが無くなり、安定した電気伝導特性が得られ、かつ高い長期信頼性が実現できる。
また、素線の幅ｔが｛Ｗ^２／（０．６Ｌ）｝＜ｔを満たす値とすることによって、素線が、転位渡り部にて浮き上がらずにエッジワイズ曲げでき、これにより素線が折れ曲がり破損することを防止できる。

かかる転位セグメント導体の構成において、前記素線の厚さｔに対する幅Ｗの比で表されるアスペクト比（Ｗ／ｔ）が２０以上であることを特徴とする。

かかる転位セグメント導体の構成において、前記素線が、一般式Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘで表される酸化物超電導材料を備えてなることを特徴とする。

本発明の転位セグメント導体によれば、管体周方向に生じる曲げ歪を抑制でき、安定した電気伝導特性を維持するとともに、高い長期信頼性が実現できる。更に、剛性の高い基材を使用しても転位セグメントの転位渡り部がエッジワイズ曲げされて浮き上がることがほとんどなく、これにより素線が折れ曲がり破損することを防止できる。

以下、本発明に係る転位セグメント導体を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の転位セグメント導体１の一実施形態を示す斜視図であり、図２は、この転位セグメント導体１の概略断面図である。
転位セグメント導体１は、テープ状の超電導素線２を複数本転位撚り合わせした転位セグメント３が、パイプ状のフォーマ（管体）４の周囲に螺旋状に巻回されてなるものである。

前記転位セグメント３は、図３に示すようにテープ状の超電導素線２を複数本（図面では６本）転位撚り合わせてなる長尺の帯状のものである。この転位セグメント３では、各テープ状の超電導素線２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ている。
個々の超電導素線２は、その長さ方向において転位セグメント３の表面側（外層側）に位置する領域と底面側（内層側）に位置する領域が交互に繰り返されるように配置されている。このような転位セグメント３の巻回方向は、Ｓ巻（右巻）の方向またはＺ巻（左巻）の方向となっている。この転位セグメント３をフォーマ４に巻きつける際の螺旋ピッチとしては、通常５０〜２０００ｍｍ程度であるが、ケーブルの設計により異なる値を取り得る。

ここで、本明細書では、転位セグメント３のうち、特定の超電導素線２が、隣接する他の超電導素線２上を渡って転位する転位部を転位渡り部３１と言い、隣り合う転位渡り部３１間を非転位渡り部３２と言う。
前記転位セグメント３では、非転位渡り部３２の所定箇所が保形テープ５によって結束されており、テープ状の超電導素線２の転位撚りが崩れないように固定されている。前記保形テープ５は、ポリイミド樹脂などから構成され、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超電導素線２に貼着固定されている。
転位セグメント３のうち、保形テープ５によって結束された部分は素線保形部とも言い、以下、隣接する素線保形部間の距離を転位渡り長Ｌという。

前記フォーマ４は、ステンレス鋼などからなるものである。このようなフォーマ４の表面は、フォーマ４と転位セグメント３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４の内部は、液体窒素等の冷却媒体の流路とされ、テープ状の超電導素線２の冷却が行われる。

前記テープ状の超電導素線２としては、基材上に超電導層を形成したものや、断面視円形状の超電導多心素線（図示せず。）が圧延加工等により平坦化されたものなどが挙げられる。この超電導素線２の横断面形状は、矩形状とすることが好ましく、転位セグメント３とした際、各超電導素線２を密着させて配置させることができ、超電導素線２間の隙間を最小に抑えることができる。

前記超電導層となる材料としては、例えば、Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（ＹＢＣＯ），Ｈｏ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ，Ｎｄ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘなどの希土類系の酸化物超電導材料、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_ｘ（Ｂｉ２２１２），Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ（Ｂｉ２２２３），Ｂｉ_１．６Ｐｂ_０．４Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘなどのＢｉ系の酸化物超電導材料、Ｎｂ_３Ｓｎ，Ｎｂ_３ＡｌなどのＡ１５型材料からなる金属系の低温超電導材料などが好ましく適用できる。
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。

また、前記基材としては、ステンレス鋼，ハステロイ合金などの金属基材、表面にＮｉ酸化物層が形成されたＮｉ金属基材や、これら金属基材上に中間層としてイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が形成されたものなどが好ましく適用できる。
基材のヤング率は１００ＧＰａ以上が好ましく、これにより剛性に優れ、破断し難い超電導素線２が得られる。
特に本発明では、超電導素線２としては、前記金属基材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（ＹＢＣＯ）が成膜されたものが好ましく、これにより高温度で高い臨界電流値が得られる。

前記テープ状の超電導素線２の外周には、素線絶縁として絶縁層が設けられている。この絶縁層をなす絶縁材料としては、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。このような絶縁層の厚みとしては、０．１〜１００μｍ程度の範囲のものとされる。

本実施形態の転位セグメント導体１では、厚さｔが下記式（１）を満たす超電導素線２が用いられている。ここで、式（１）中、Ｄ，ｔ，Ｗ，ε_ｐ，Ｌは、フォーマ４の直径［ｍｍ］，超電導素線２の厚さ［ｍｍ］，超電導素線２の幅［ｍｍ］，超電導素線２の許容歪，転位セグメント３の転位渡り長［ｍｍ］をそれぞれ示す。
前記超電導素線２の厚さｔについて以下に詳細に示す。

｛Ｗ^２／（０．６Ｌ）｝＜ｔ＜｛Ｄε_ｐ／（１−ε_ｐ）｝・・・・・・（１）

まず、超電導素線２の厚さｔの上限値について説明する。
一般に、素線２のアスペクト比（幅Ｗ／厚さｔ）が２０以上の場合、幅方向の歪の最大値εは、ε＝ｔ／（Ｄ＋ｔ）にほぼ一致することが知られており、この式により算出された歪の最大値の計算値と、測定された曲げ歪の極大値とは、極めて一致することが図７においても確認されている。
前記曲げ歪みの最大値εが許容歪ε_ｐよりも小さい場合、以下の式（２）を満たすことになる。

ε_ｐ＞｛ｔ／（Ｄ＋ｔ）｝・・・・・・（２）

前記式（２）を式変形すると、以下の式（３）が得られる。

ｔ＜｛Ｄε_ｐ／（１−ε_ｐ）｝・・・・・・（３）

超電導素線２の厚さｔを前記式（３）を満たす値とすることによって、許容歪みを上回る曲げ歪が超電導素線２に加わることがない。これにより、転位セグメント３の内部で幅方向において中折れ現象が発生することがなく、転位セグメントの構造が乱れることが無くなり、安定した導通環境が維持される。このため、従来に比べて極めて安定な電気伝導特性が得られ、かつ高い長期信頼性が実現できる。

例えば、許容歪みε_ｐが０．４％であり、フォーマ４の直径Ｄが２１．４ｍｍの場合、前記式（３）はｔ＜０．０８６ｍｍとなる。このため、例えば、超電導素線２の厚さｔを０．０８ｍｍ以下とすることによって、超電導素線２に加わる曲げ歪を許容歪みよりも小さくすることができる。
また、許容歪みε_ｐが０．４％であり、フォーマ４の直径Ｄが１６ｍｍの場合、前記式（３）はｔ＜０．０６４ｍｍとなる。このため、例えば、フォーマ４の直径Ｄが１６ｍｍ以下の場合、超電導素線２の厚さｔを０．０６ｍｍ以下とすることによって、超電導素線２に加わる曲げ歪を許容歪み以下とすることができる。

図４は、フォーマ４の周囲に巻回された転位セグメント３上に被覆テープ６が設けられた転位セグメント導体１の要部を示す断面図である。
前記被覆テープ６としては、転位セグメント導体１が超電導ケーブルや電力ケーブルとして使用される場合、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。
転位セグメント３上に被覆テープ６を巻き付ける際、超電導素線２は、フォーマ４側に押し付けられ、転位セグメント３の転位渡り部３１の超電導素線２は、フォーマ４の表面に沿って湾曲し、このフォーマ４にほぼ密着することになる。しかし、超電導素線２の厚さｔが前述した式（３）を満たすように十分薄くすることによって、超電導素線２が幅方向に受ける曲げ歪みを許容歪みより小さくすることができる。

次に、超電導素線２の厚さｔの下限値について説明する。
転位セグメント３の転位渡り部３１の素線２の浮き上がりが発生しないようにするためには、テープ状の素線２の幅Ｗ，厚さｔ，転位渡り部３１の長さＬが以下の式（４）を満たすようにする必要があることが知られている。

｛Ｗ^２／（Ｌｔ）｝≦０．３１３・・・・・・（４）

しかし、この関係（式（４））は、転位セグメント３が張力を受けない場合であり、実際は、素線２を撚り合わせて転位セグメント３を作製する工程や、転位セグメント３をフォーマ４の周囲へ螺旋状に巻回して転位セグメント導体１を作製する工程において、素線２や転位セグメント３には張力が加わる。
そこで、転位セグメント３に張力が加わった場合であっても、転位セグメント３の転位渡り部３１の超電導素線２の浮き上がりが発生しないようにするための転位渡り部３１の浮き上がりの発生と超電導素線２の厚さｔとの関係を求めた。

超電導素線２として、ＳＵＳ３０４の金属基材上にＹＳＺ中間層を介してＹＢＣＯが成膜されたものを用いて、６本撚りの転位セグメント３を作製した。そして、この転位セグメント３の長手方向に張力を加え、転位渡り部３１の浮き上がりが発生しているかどうかを調べた。
ここで、転位セグメント３に加える張力は、２０〜１００Ｎの範囲の所定の値とした。

表１は、超電導素線２の幅Ｗと厚さｔ及び転位渡り長Ｌを種々変化させた場合の転位渡り部３１の浮き上がりの発生の有無を調べた結果を示すものである。
ここで、表１には、転位セグメント３に５０Ｎの張力を加えた結果を示している。
なお、前記張力として２０〜１００Ｎの力を加えても表１とほぼ同様の結果が得られた。

超電導素線２の断面のアスペクト比Ｗ／ｔが大きいほど同じ断面積でもエッジワイズ曲げの断面二次モーメントが大きく、エッジワイズに曲がりにくい。また、同じ幅ＷでもＷ／Ｌが大きい、つまりＬがＷに対して小さい方が同じ力でも小さいモーメントとなり、結局エッジワイズに曲がりにくい。つまり、これら２つのパラメーターＷ／ＬとＷ／ｔとの積Ｗ^２／（Ｌｔ）はエッジワイズへの曲がりにくさを表す指標となり、このＷ^２／（Ｌｔ）の値がある値よりも小さいと、エッジワイズ曲げ（超電導素線１０２の長手方向に歪みが生じる曲げ）が可能であることを示している。
表１からＷ^２／（Ｌｔ）の値が０．６よりも小さいと、エッジワイズ曲げが可能であるといえる。すなわち、以下の式（５）が導かれる。

｛Ｗ^２／（Ｌｔ）｝＜０．６・・・・・・（５）

式（５）を式変形すると、以下の式（６）が得られる。

｛Ｗ^２／（０．６Ｌ）｝＜ｔ・・・・・・（６）

超電導素線２の厚さｔを前記式（６）を満たす値とすることによって、張力が加わっても、転位セグメント３の転位渡り部３１が浮き上がることがほとんどない。これにより、従来のように、転位渡り部３１が浮き上がり、転位セグメント導体１等の作製途上で転位セグメント３をドラムに巻いた場合、浮き上がった部分が無理にドラム面に押しつけられて超電導素線２が折れ曲がり、破損することを防止できる。

また、転位渡り部３１がほとんど浮き上がらないために、この転位セグメント３を構成する各テープ状の超電導素線２がその長尺方向において順次その位置を代えて変位しており、すなわち各テープ状の超電導素線２が転位セグメント３の最内側（フォーマ４側）位置から最外側位置まで繰り返して経由しながら転位セグメント導体１の長さ方向に延在することになる。このため、各超電導素線２に加わる応力などを均等にでき、超電導素線２の電気抵抗や、超電導素線２を流れる電流の自己磁場などの影響を均等化できる。
以上により、各テープ状の超電導素線２において、超電導素線２の電気抵抗や電流を流したときの自己磁場から受ける影響にばらつきがなくなり、これにより交流通電時の偏流を防止でき、内側に位置するテープ状の超電導素線２にも、外側に位置するテープ状の超電導素線２と略同量の電流を流すことができ、よって臨界電流密度を増大でき、転位セグメント導体１の大容量化を図ることができる。

前述した式（１）は、前述した式（３）と式（６）とを共に満足する関係式であり、本実施形態では、超電導素線２の厚さｔを前記式（１）を満たす値とすることによって、超電導素線２に加わる曲げ歪みの最大値を許容歪ε_ｐよりも小さくでき、かつ張力が加わっても、転位セグメント３の転位渡り部３１が浮き上がることをほぼ無くすることができる。

なお、本実施形態では、超電導素線２を用いた場合を例示したが、テープ状の平角断面を備えた素線であれば、いかなる材料の素線であっても適用でき、本実施形態と同様の作用効果が得られる。

本発明では、管体周方向に生じる曲げ歪を抑制でき、かつ転位渡り部が浮き上がることがほとんどない転位セグメント導体を実現できる。素線として超電導素線を用いた転位セグメント導体は、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し、かつ大容量の超電導ケーブルとして利用できる。

本発明の転位セグメント導体の一実施形態を示す斜視図である。 本発明の転位セグメント導体の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の転位セグメントの一実施形態を示す斜視図である。 巻回された転位セグメント上に被覆テープが設けられた転位セグメント導体の要部を示す断面図である。 従来の転位セグメント導体を示す斜視図である。 従来の転位セグメント導体を示す概略断面図である。 従来の転位セグメントの平面図である。 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図である。 従来の転位セグメント導体の浮き上がりの状態を示す概略図である。

符号の説明

１‥‥転位セグメント導体、２‥‥超電導素線（素線）、３‥‥転位セグメント、４‥‥管体（フォーマ）、３１‥‥転位渡り部

Claims (3)

1. 厚さに対して幅が大きいテープ状の素線を複数本、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おいて、
   前記管体の直径をＤ［ｍｍ］、前記素線の厚さをｔ［ｍｍ］、前記素線の幅をＷ［ｍｍ］、前記素線の許容歪をε_ｐ、前記転位セグメントの転位渡り長をＬ［ｍｍ］とすると、
   前記素線の厚さｔは、下記式（１）を満たす関係にあることを特徴とする転位セグメント導体。
   ｛Ｗ^２／（０．６Ｌ）｝＜ｔ＜｛Ｄε_ｐ／（１−ε_ｐ）｝・・・・・・（１）
2. 前記素線の厚さｔに対する幅Ｗの比で表されるアスペクト比（Ｗ／ｔ）が２０以上であ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。
3. 前記素線が、一般式Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘで表される酸化物超電導材料を備え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。
   

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