JP2005149840A - 転位セグメント導体 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、転位セグメント導体がドラムの周面などの曲面に巻き付けられた際、転位セグメント導体の素線への座屈発生が抑制され、これにより座屈による電気伝導特性の低下を抑え、かつドラムから引き出して使用した際、安定した電気伝導特性を維持するとともに、長期信頼性を向上させ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】 本発明は、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、前記転位セグメント導体が巻き付けられるドラムの直径をＤ［ｍｍ］、前記素線の厚さをｔ［ｍｍ］、前記素線の幅をＷ［ｍｍ］、前記転位セグメントのスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］とすると、下記式（１）を満足することを特徴とする転位セグメント導体。
｛（ｓ／ｔ）^１／２（Ｗ／Ｄ）｝＜０．１５・・・・・・（１）
【選択図】 図４

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、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、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１０１が広く知られている（例えば、特願２００３−５４１８８，特許文献１参照）。
この転位セグメント導体１０１は、通常、図５に示すように、直径が１〜３ｍ程度のドラム１０６の周面などの曲面に巻き付けられて保管、管理されている。
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）が大きいテープ状の素線１０２が用いられた転位セグメント導体１０１をドラム１０６の周面に巻き付けた場合、図５（一点鎖線αで囲まれた部分）に示すように、転位セグメント導体１０１の素線１０２のエッジ部分が折れ曲がって浮き上がる現象（以下、座屈すると言う。）が生ずる場合がある。

前記したように転位セグメント導体１０１をドラム１０６に巻き付けた際に、素線１０２が座屈すると、転位セグメント１０３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。更に、素線１０２が座屈した状態の転位セグメント導体１０１をドラム１０６から引き出して超電導ケーブルとして使用した場合、素線１０２の座屈部分にて電気ロスが生じたり、更には破断の危険性すらある。このため、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、上記のように転位セグメント導体１０１をドラム１０６に巻き付けた際、素線１０２に座屈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。
特開平１１−２０３９６１号公報

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、転位セグメント導体がドラムの周面などの曲面に巻き付けられた際、転位セグメント導体の素線における座屈の発生が抑制され、これにより座屈による電気伝導特性の低下が抑えられ、かつドラムから引き出して使用した際、安定した電気伝導特性を維持するとともに、長期信頼性を向上させることが可能な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、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、前記転位セグメント導体が巻き付けられるドラムの直径をＤ［ｍｍ］、前記素線の厚さをｔ［ｍｍ］、前記素線の幅をＷ［ｍｍ］、前記転位セグメントのスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］とすると、下記式（１）を満足することを特徴としている。
｛（ｓ／ｔ）^１／２（Ｗ／Ｄ）｝＜０．１５・・・・・・（１）
これにより、転位セグメント導体をドラムなどの曲面に巻回する際、転位セグメント導体の素線における座屈発生を抑制できる。

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している。

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している。

本発明の転位セグメント導体によれば、転位セグメント導体がドラムの周面などの曲面に巻き付けられた際、転位セグメント導体を構成するテープ状の素線において座屈発生が抑制される。このため、座屈による電気伝導特性の低下が抑えられ、かつ転位セグメント導体をドラムから引き出して使用した際、安定した電気伝導特性を維持することができるとともに、長期信頼性を向上させることが可能となる。

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。
本発明は、本発明者等による転位セグメント導体１のテープ状の超電導素線２に生じる座屈に関して行われた実施例に基づいてなされたものであり、以下に、まず転位セグメント導体１の構成について説明し、次いでこの転位セグメント導体１をドラムに巻きつける際、転位セグメント導体１の超電導素線２に生じる座屈に関する実験結果について詳細に説明する。
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る。
転位セグメント導体１は、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２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転位するように撚り合わされている。
転位セグメント３は、フォーマ４の周囲に、Ｓ巻（右巻）の方向またはＺ巻（左巻）の方向に螺旋状に巻回されており、この転位セグメント３のスパイラルピッチｓとしては、通常５０〜２０００ｍｍ程度である。

前記転位セグメント３では、超電導素線２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。

前記フォーマ４は、ステンレス鋼や銅などからなるパイプ状や円筒状のものであり、現在、３相一括導体では、外径が２２ｍｍ以下のフォーマ４を用いるように設計されている。
このフォーマ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の冷却を行うことができるようになっている。
なお、前記フォーマ４としては、撚線などのように可とう性を有するものであっても構わない。

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。
特にＹ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘで表される酸化物超電導材料が好ましく、高温度で優れた電流臨界密度が得られる。

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、比較的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。

転位セグメント導体１は、通常、図３に示したように、ドラム６の周面などの曲面に巻き付けられた状態で保管、管理されており、超電導ケーブルとして敷設する際には、ドラム６から引き出して使用される。
転位セグメント導体１をドラム６に巻き付ける方法としては、図３に示したように、繰り出しドラム６１から繰り出される転位セグメント導体１を、中間ドラム（緩衝ドラム）６２を介して巻取ドラム（以下、ドラムとも言う。）６に巻き付ける方法などが適用できる。

前述した転位セグメント導体１について、その超電導素線２の厚さｔ，幅（テープ幅）Ｗやスパイラルピッチｓと、転位セグメント導体１を直径Ｄのドラム６の周面に巻き付けた際、超電導素線２に発生する座屈との関係を調べた。
図４は、転位セグメント導体１のＷ／Ｄとｓ／ｔとの関係を示す図であり、図中、○印は、座屈が発生しなかった転位セグメント導体１であり、×印は、座屈が発生した転位セグメント導体をそれぞれ示す。

図４中、実線は、式（Ｗ／Ｄ）＝｛０．１５／（ｓ／ｔ）^１／２｝を満たす曲線を示している。
座屈が発生しなかった転位セグメント導体１では、（Ｗ／Ｄ）＜｛０．１５／（ｓ／ｔ）^１／２｝を満たすことがわかる。これに対して、座屈が発生した転位セグメント導体では、（Ｗ／Ｄ）≧｛０．１５／（ｓ／ｔ）^１／２｝を満たすことがわかる。
以上の知見に基づき、本発明者等は、転位セグメント導体１を直径Ｄのドラム６に巻き付ける場合、転位セグメント導体１を構成する超電導素線２の厚さｔ，幅（テープ幅）Ｗや、転位セグメント３をフォーマ４に巻回する際のスパイラルピッチｓを、（Ｗ／Ｄ）＜｛０．１５／（ｓ／ｔ）^１／２｝を満たすように規格化することによって、超電導素線２に発生する座屈発生を抑制できることを見出し、本願発明を完成するに至った。

本発明の転位セグメント導体１では、下記式（１）を満足するように、超電導素線２の寸法ｔ，Ｗや、スパイラルピッチｓが定められており、これにより図４に示すように、テープ状の素線が、座屈せずに管体に巻回される。
ここで、式（１）中、Ｄは、転位セグメント導体１が巻き付けられるドラム６の直径［ｍｍ］を示し、ｔ，Ｗは、素線２の厚さ［ｍｍ］，幅［ｍｍ］をそれぞれ示し、ｓは、転位セグメント３のスパイラルピッチ［ｍｍ］を示す。

｛（ｓ／ｔ）^１／２（Ｗ／Ｄ）｝＜０．１５・・・・・・（１）

図４に示したように、前記式（１）を満たす転位セグメント導体１では、直径Ｄのドラム６に巻き付けた際、転位セグメント導体１の超電導素線２には座屈が発生しないため、座屈によって転位セグメント３の構造が乱れることを抑制できる。このため、従来のように超電導素線２に座屈が発生して転位セグメント３の構造が乱れ、電気伝導特性が低下することを抑制できる。
更に、ドラム６に巻き付けた際に転位セグメント導体１の超電導素線２には座屈が発生しないため、転位セグメント導体１をドラム６から引き出し、超電導ケーブルとして使用する場合、従来のように超電導素線２の座屈部分にて生じる電気ロスが低減でき、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。
特に、従来では、アスペクト比（Ｗ／ｔ）が２０以上の超電導素線を備えた転位セグメント導体において、ドラムに巻き付けた際、超電導素線に座屈が発生しやすかった。しかし、本発明を適用することによって、従来では困難であったアスペクト比（Ｗ／ｔ）が２０以上の超電導素線２を備え、かつドラム６に巻き付けた際の座屈発生が抑制されて、座屈による電気伝導特性の低下が抑えられた転位セグメント導体１が実現できる。

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。

［具体例１］
テープ状の超電導素線２として、ステンレス鋼もしくはハステロイ合金などの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）酸化物超電導膜が成膜されたものを用いた。
この超電導素線２の厚さｔは０．０６ｍｍである。
表１は、具体例１にて用いた超電導素線２の幅（テープ幅）Ｗ，ドラム６の直径Ｄ，スパイラルピッチｓを示す。なお、フォーマ４の外径（以下、フォーマ径と言う。）は２１ｍｍとした。

前記した寸法の超電導素線２を、その長尺方向において順次その位置を代えて転位するように撚り合わせて転位セグメント３を製造した。
次に、前記転位セグメント３を、フォーマ４の外周にスパイラルピッチｓが所望の値となるように螺旋状に巻回して、転位セグメント導体１を製造した。
そして、転位セグメント導体１を直径Ｄのドラム６の周面に巻き付けた。

［具体例２］
超電導素線２の厚さｔが、０．０８ｍｍであり、幅（テープ幅）Ｗ，スパイラルピッチｓが、表２に示す値である以外は具体例１と同様にして転位セグメント導体１を製造し、直径Ｄのドラム６の周面に巻き付けた。

具体例１，２にてドラム６に巻き付けられた転位セグメント導体１において、超電導素線２の座屈発生の有無を目視にて観察した。ここで、表１，２中、○印は、座屈が発生しなかった転位セグメント導体１であり、×印は、座屈が発生した転位セグメント導体をそれぞれ示す。
表１，２に示すように、｛（ｓ／ｔ）^１／２（Ｗ／Ｄ）｝で表される計算値が０．１５未満の転位セグメント導体１において、座屈の発生が見られなかった。これに対して、｛（ｓ／ｔ）^１／２（Ｗ／Ｄ）｝で表される計算値が０．１５以上の転位セグメント導体１において、座屈の発生が確認された。
更に、フォーマ径が１５ｍｍのフォーマ４が用いられた転位セグメント導体１についても同様の結果が得られた。
以上のように、転位セグメント導体１において、前述した式（１）を満たすことによってドラム６に巻き付けられた際、超電導素線２に座屈が発生することを抑制できる。このため、座屈によって転位セグメント３の構造が乱れることが抑制され、従来のように超電導素線２に座屈が発生して転位セグメント３の構造が乱れ、電気伝導特性が低下することを抑制できる。
更に、ドラム６に巻き付けた際に転位セグメント導体１の超電導素線２には座屈が発生しないため、転位セグメント導体１をドラム６から引き出し、超電導ケーブルとして使用する場合、従来のように超電導素線２の座屈部分にて生じる電気ロスが低減でき、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。

本発明では、転位セグメント導体をドラムに巻き付ける際、転位セグメント導体を構成するテープ状の素線に座屈が発生することを抑制できる。このため、転位セグメント導体をドラムから引き出し、超電導ケーブルとして使用する場合、従来のように素線の座屈部分にて生じる電気ロスがなく、安定した電気伝導特性が得られるとともに、長期信頼性を向上させることが可能となり、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の一実施形態を示す斜視図である。 転位セグメント導体をドラムに巻き付ける巻取装置の一例を示す概略図である。 転位セグメント導体のＷ／Ｄとｓ／ｔとの関係を示す図である。 従来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。

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）、６‥‥ドラム。

Claims (3)

1. 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、
   前記転位セグメント導体が巻き付けられるドラムの直径をＤ［ｍｍ］、前記素線の厚さをｔ［ｍｍ］、前記素線の幅をＷ［ｍｍ］、前記転位セグメントのスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］とすると、
   下記式（１）を満足することを特徴とする転位セグメント導体。
   ｛（ｓ／ｔ）^１／２（Ｗ／Ｄ）｝＜０．１５・・・・・・（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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