JP2005166434A - 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の素線における浮き上がりの発生が抑制され、これにより素線の浮き上がりが原因となって生じる素線の折れ曲がりや破損を抑制でき、また電気伝導特性の低下が抑えられ、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、前記素線２の幅をＷ［ｍｍ］、前記転位セグメント３の転位渡り長をＬ［ｍｍ］、前記転位セグメント３のスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］、前記管体４の直径をＤ［ｍｍ］とすると、下記式（１）を満足する構成とする。
［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）≦０．１・・・・・・（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３に示すように、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）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（例えば、特願２００３−５４１８８，特許文献１御参照）。
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。

特に、素線１０２が、Ｙ系超電導材料のように強度が強く高剛性の材料から構成されている場合、素線１０２のアスペクト比（Ｗ／ｔ）が２０以上になると、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を設けて拘束した状態で、フォーマに螺旋状に巻き付けると、図４に示すように転位渡り部１３１がギャップ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等の作製途上で、転位セグメント１０３をフォーマに螺旋状に巻き付けた後に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、素線１０２のうち、浮き上がった部分が無理にフォーマの外周面に押し付けられるため素線１０２が折れ曲がり、破損する場合がある。
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、転位セグメントがフォーマに螺旋状に巻き付けられてなる転位セグメント導体において、転位セグメントの素線における浮き上がりの発生が抑制され、これにより素線の浮き上がりが原因となって生じる素線の折れ曲がりや破損を抑制でき、また電気伝導特性の低下が抑えられ、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、前記素線の幅をＷ［ｍｍ］、前記転位セグメントの転位渡り長をＬ［ｍｍ］、前記転位セグメントのスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］、前記管体の直径をＤ［ｍｍ］とすると、下記式（１）を満足することを特徴としている。
［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）≦０．１・・・・・・（１）
これにより、素線における浮き上がりの発生を抑制できる。

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、管体に螺旋状に巻き付けられた状態の転位セグメントにおいて、この転位セグメントを構成するテープ状の素線における浮き上がりの発生を抑制できる。
このため、転位セグメントが管体に螺旋状に巻き付けられた状態で、その上から絶縁テープなどの被覆テープが巻き付けられても、素線の浮き上がりが原因となって生じる素線の折れ曲がりや破損を抑制できる。
これより、素線の折れ曲がりや破損による電気伝導特性の低下が抑えられ、かつ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の各構成部材の寸法等と、この構成部材のうちの超電導素線２に生じる浮き上がり現象との関係について検討し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。

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。

前記テープ状の超電導素線２としては、例えば、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、高温度で優れた臨界電流密度が得られる。

また、前記基材としては、例えば、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、例えば、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、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。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。

前述した転位セグメント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層一括導体では、直径（フォーマ径）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。

本実施形態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やフォーマ４などの寸法などが定められており、これによりフォーマ４に螺旋状に巻き付けられた転位セグメント３において、超電導素線２における浮き上がりの発生を抑制できるようになっている。
ここで、式（１）中、Ｗは、超電導素線２の幅（テープ幅）［ｍｍ］，Ｌは、転位渡り長［ｍｍ］，ｓは、スパイラルピッチ［ｍｍ］，Ｄは、フォーマ４の直径（以下、フォーマ径とも言う。）［ｍｍ］をそれぞれ示す。

［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）≦０．１・・・・・・（１）

超電導素線２に発生する浮き上がりと、前記式（１）との関係について以下に詳細に示す。
フォーマ４の外周面に螺旋状に巻き付けられた状態の転位セグメント３において、その転位セグメント３の曲率半径Ｒは、以下の式（２）で表される。

Ｒ＝｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ・・・・・・（２）

一方、図２に示したように平面上に配された状態の転位セグメント３において、転位渡り部３１が浮き上がっている場合、その浮き上がり部分の曲率半径Ｒ_ｃは、以下の式（３）で表される。
ここで、式（３）中、αは、浮き上がり部分の形状によって決定される係数を示す。

Ｒ_ｃ＝α（Ｌ^２／Ｗ）・・・・・・（３）

転位セグメント３の曲率半径Ｒが、浮き上がり部分の曲率半径Ｒ_ｃ以下の場合、すなわち転位セグメント導体１が以下の式（４）を満たす場合、フォーマ４の外周面に螺旋状に巻回された転位セグメント３において、超電導素線２に浮き上がりが発生しないことになる。

｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ≦α（Ｌ^２／Ｗ）・・・・・・（４）

前記式（４）を式変形すると、以下の式（５）が得られる。

［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）≦α・・・・・・（５）

次に、超電導素線２の幅（テープ幅）Ｗ，転位渡り長Ｌ，スパイラルピッチｓ，フォーマ４の直径（以下、フォーマ径とも言う。）Ｄを種々の値として転位セグメント導体１を作製し、その超電導素線２に発生する浮き上がりの有無を調べ、この実験結果をもとに前記式（５）の検証を行った。

表１は、転位セグメント導体１を構成する超電導素線２のテープ幅Ｗ［ｍｍ］，転位渡り長Ｌ［ｍｍ］，スパイラルピッチｓ［ｍｍ］，フォーマ径Ｄ［ｍｍ］と、超電導素線２に発生する浮き上がりの有無を示す実験結果である。
ここで、表１において、○印は、転位セグメント導体１において浮き上がり現象が確認されなかった場合を示す。また×印は、転位セグメント導体において浮き上がり現象が確認された場合を示す。
また、一般式［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）を定義し、この計算値を表１に示した。

表１より、超電導素線２に浮き上がりが確認されなかった転位セグメント導体１では、以下の式（１）を満たすことがわかる。

［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）≦０．１・・・・・・（１）

以上の知見に基づき、本発明者等は、前述した式（５）中の係数αは０．１であり、転位セグメント導体１を構成する超電導素線２の幅（テープ幅）Ｗ，転位渡り長Ｌ，スパイラルピッチｓ，フォーマ径Ｄを、前記式（１）を満たすように規格化することによって、超電導素線２における浮き上がりの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、前記式（１）を満足するように、超電導素線２のテープ幅Ｗ，転位渡り長Ｌ，スパイラルピッチｓ，フォーマ径Ｄが定められており、これにより表１に示すように、超電導素線２における浮き上がりの発生を抑制できる。
このため、転位セグメント導体１の表面に絶縁テープなどの被覆テープが巻き付けられても、超電導素線２の浮き上がりが原因となって生じる超電導素線２の折れ曲がりや破損を抑制できる。
また、超電導素線２の浮き上がりによる転位セグメント３の構造の乱れが抑制される。これにより、従来のように超電導素線２の浮き上がりによって転位セグメント３の構造が乱れて電気伝導特性が低下することが抑えられ、かつ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。

特に、従来では、アスペクト比（Ｗ／ｔ）が２０以上の超電導素線２を備えた転位セグメント導体１において、超電導素線２に浮き上がり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、かつ超電導素線２における浮き上がりの発生を抑制でき、この浮き上がりが原因とな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。

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。
表１に示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が表１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。

実施例にて製造された転位セグメント導体１において、超電導素線２に浮き上がり部が発生しているかどうかを目視にて観察した。得られた結果を表１に示した。ここで、表１において、○印は、転位セグメント導体１において浮き上がり現象が確認されなかった場合を示す。また×印は、転位セグメント導体において浮き上がり現象が確認された場合を示す。また、一般式［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）を定義し、この計算値を表１に示した。
表１に示すように、一般式［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）で表される計算値が０．１以下の転位セグメント導体１において、浮き上がりの発生が確認されなかった。これに対して、一般式［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）で表される計算値が０．１よりも大きい転位セグメント導体において、浮き上がりの発生が確認された。

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、超電導素線２における浮き上がりの発生を抑制できる。
このため、転位セグメント導体１の表面に絶縁テープなどの被覆テープが巻き付けられても、超電導素線２の浮き上がりが原因となって生じる超電導素線２の折れ曲がりや破損を抑制できる。また、超電導素線２の浮き上がりによる転位セグメント３の構造の乱れが抑制され、従来のように転位セグメント３の構造が乱れて電気伝導特性が低下することが抑えられる。

本発明では、転位セグメントがフォーマに巻き付けられてなる転位セグメント導体において、転位セグメント導体を構成するテープ状の素線における浮き上がりの発生を抑制できる。このため、従来のように素線の浮き上がり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例を示す斜視図である。 本発明の転位セグメントの一例を示す斜視図である。 従来の転位セグメントの一例を示す斜視図である。 従来の転位セグメント導体において、素線が浮き上がった状態の一例を示す模式図である。

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）。

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、
   前記素線の幅をＷ［ｍｍ］、前記転位セグメントの転位渡り長をＬ［ｍｍ］、前記転位セグメントのスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］、前記管体の直径をＤ［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。
   ［｛Ｄ^２＋（ｓ／π）^２｝／Ｄ］（Ｗ／Ｌ^２）≦０．１・・・・・・（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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