JP4313586B2 - Dislocation segment and superconducting equipment - Google Patents

Description

【００１９】
表１におけるマイナス値は、巻き取り方向へのズレを、プラス値は繰り出し方向へのズレをそれぞれ示している。６本撚りの転位セグメントを構成する、ある１本の素線に着目すると、この素線は転位渡り部を６回経ることで最初の位置に戻る。いま、図１３に示したような、ある地点でＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの位置にある６本の素線を例にとると、それぞれの素線が６回転位部を経るにつれて、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの位置を順次経由してこれを繰り返すことが明らかとなった。
【００２０】
したがって転位渡り部に生じる歪は、転位渡り部の長さが長くなるほど顕著に大きくなる。また、ドラムの曲げ半径が小さくなるほど転位渡り部に生じる歪は顕著に大きくなる。
【００２１】
近年、超電導材料など剛性の高い素線から構成された高剛性の転位撚線を、曲げ半径の小さいドラムに巻きつける事例が多くなりつつある。こうした高剛性の転位撚線は転位部の長さを長く設定する必要があるため、曲げ半径の小さいドラムに巻きつけると転位部に生じる歪は更に大きくなる。
【００２２】
特に、転位撚線を構成する複数の線材をポリイミドテープなど絶縁テープでスパイラル状に束ねて、転位部の耐圧特性の向上を図っている場合、この転位部で線材が盛り上がったり意図しない方向に屈曲してしまい、形状の維持が不可能になるばかりでなく、抵抗値の増加や導通不良など転位撚線の特性劣化が懸念される。
【００２３】
【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、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（slack） の影響による、超電導特性の低下を抑制することが可能な、転位セグメント及び超電導応用機器を提供することを目的とする。
【００２４】
【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は、
テープ状の素線を複数本、転位撚り合わせてなり、各転位渡り部はこれを結束する保形用テープにより複数箇所で保形されている転位セグメントにおいて、
前記転位セグメントを巻き付けるために用いる円筒体の中心から該転位セグメントの中立軸までの半径をｒ、前記保形用テープを設ける間隔をｌ、前記テープ状の素線の厚さをｔ、前記転位撚り合わせた素線の本数をｎ、前記転位渡り部の長さをＬ、正の整数をｍと定義した場合、
ｎ＝４ｍのときは、
前記間隔ｌが（２π^２ｎ^２ｔｒＬ）^１／３ 以上であり、
ｎ＝４ｍ＋２のときは、
前記間隔ｌが｛２π^２（ｎ^２＋４）ｔｒＬ｝^１／３ 以上である、
ことを特徴としている。
【００２５】
なお、本明細書において「転位渡り部」とは、転位セグメントの長尺方向に対して非平行方向に延在し位置が転位されている素線が存在する部分を意味する。
【００２６】
かかる構成によれば、各転位渡り部を結束する保形用テープの間隔ｌを、転位撚り合わせた素線の本数ｎに応じて、特定の関係式、すなわち、ｎが４ｍで表記される場合は、間隔ｌ≧（２π^２ｎ^２ｔｒＬ）^１／３ という関係式、またｎが（４ｍ＋２）で表記される場合は、間隔ｌ≧｛２π^２（ｎ^２＋４）ｔｒＬ｝^１／３ という関係式、がそれぞれ成り立つように設定することにより、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（slack） の影響による、超電導特性の低下を抑制することが可能となる。ここで、超電導特性の低下とは、交流電流通電時の交流損失の低減や、偏流の発生を意味する。
【００２７】
本発明においては、前記素線として金属基材上に超電導層を具備させたものを利用することができる。
本発明に係る転位超電導テープユニットでは、上述した関係式で示される間隔ｌで保形用テープを設けたので、従来のように基材に適当な柔軟性を有する材質のものを敢えて選択する必要は無くなる。したがって、転位撚り合わせ加工が難しいが、強度が高く剛性も高い金属基材を利用することが可能となる。特に、金属基材として、例えばステンレス鋼やハステロイ合金を使用すれば、引張強度や剛性を格段に強化できるのでより好ましい。
【００２８】
また、本発明に係る超電導層としては、酸化物超電導体からなるものを利用することができる。
本発明に係る転位超電導テープユニットにおいては、上記金属基材を用いることができるので、蒸着技術を利用して金属基材の表面に高性能の酸化物超電導体層を形成することも容易だからである。
【００２９】
本発明に係る超電導応用機器は、上述した本発明の転位セグメントを用いて構成されたものである。超電導応用機器としては、例えば、超電導ケーブルや、超電導変圧器、超電導マグネット、超電導限流器等が具体的に挙げられる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る転位セグメントにおける保形用テープを設ける間隔ｌの設定条件に関して詳述する前に、まず転位セグメントの一実施形態について、図１および図２を参照してその全体構成を説明する。
【００３１】
図１は本発明に係る転位セグメントの一実施形態を示す斜視図である。図２は図１に示した転位セグメントの断面図であり、（ａ）及び（ｂ）はＡ−Ａ’部分、（ｃ）はＢ−Ｂ’部分、（ｄ）Ｃ−Ｃ’部分をそれぞれ表す。なお、（ａ）は後述する保形用テープを巻き付けていない状態を示し、（ｂ）〜（ｄ）は保形用テープを巻き付けた状態を示す図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施形態の転位セグメント１０は、６本のテープ状の素線２０を、各素線２０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転位撚り合わせ、所定間隔毎に保形用テープによって結束したものである。
【００３３】
本実施形態では、隣り合う転位渡り部５１の間に位置する各非転位渡り部５２には保形テープ４５によって保形された結束部６１が設けられていると共に、各転位渡り部５１にはこれを結束する保形用テープ４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）によって保形された結束部６０を複数箇所設けた場合を示す。
【００３４】
素線２０としては、図２に示すように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構わないが、好適には金属基板２０ｓ上に中間層２０ｔを介して高温超電導材料２０ｒが形成された超電導素線２１が用いられ、その断面形状としては矩形状が望ましい。
【００３５】
図１および図２における素線２０は、特に、ハステロイ等の金属基板２０ｓ上にイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）中間層２０ｔ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２０ｒを設けてなるテープ状の超電導素線２１を用いた場合を示している。
【００３６】
なお、テープ状の超電導素線２１としては、この形態の他に、断面視円形状の超電導多心素線（超電導素線）が圧延加工等により平坦化されたものを採用しても構わない。ここで、超電導多心素線とは、超電導フィラメントなどの超電導体又は熱処理により超電導体となる材料からなる複数のコア部がＡｇ、Ｐｔ、Ａｕ等のシース材からなる基地の内部に備えられたものを意味する。
【００３７】
コア部を構成する超電導体あるいは熱処理により超電導体となる材料としては、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が挙げられる。また、素線として、Ｎｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ａｌなどで示される組成をもつ低温超電導材料を例示することができる。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。
【００３８】
高抵抗化膜２２は、基地を構成するシース材の硫化物（例えば、硫化銀等）からなり、基地を構成するシース材よりも電気抵抗率が高くなるように構成されている。また、高抵抗化膜２２を紫外線硬化型樹脂被膜により構成することもできる。
【００３９】
［テープ線に加わる曲げ歪］
本発明に係るテープ状の素線（以下、テープ線と略称する）を、巻き取ったり（巻取工程）あるいはコイルに巻き付けたり（コイル巻工程）する際に、転位セグメント内のテープ線に、ある高さｙの浮き上がり(slack) が発生した場合を想定し、テープ線に加わる曲げ歪を検討した結果について述べる。この検討では、slack の形状は三角関数により近似できると仮定した。
【００４０】
転位セグメントを結束するための保形用テープの間隔をｌ、浮き上がり高さのピーク値をｈとすると、保形用テープの片端位置を０として位置ｘにおける高さｙは（１）式で表記される。
【００４１】
【数１】

【００４２】
上記（１）式で表される曲線における曲率半径Ｒは（２）式で表記される。
【００４３】
【数２】

【００４４】
ここで、素線の厚さをｔとすると、テープ線に加わる曲げ歪は（３）式で表記される。
【００４５】
【数３】

【００４６】
したがって、歪は浮き上がり中央付近で最大となりその値は（４）式で表記される。
【００４７】
【数４】

【００４８】
このモデルを検証するため、浮き上がり(slack) の頂上に歪ゲージを装着して、テープの浮き上がり高さ(slack高さ：ｙ) とテープに加わる歪量(ε)を測定した。
試験に用いたサンプルは、SUS テープ基材、サイズ０．２ｍｍｘ２．０ｍｍ、転位渡り長４００ｍｍ、結束用のテープ間隔９５ｍｍのセグメントである。
【００４９】
図３は、テープ線の浮き上がり高さ(slack高さ：ｙ) と加わる歪量(ε)との関係を示すグラフである。図３に示した直線は、上述したモデルに基づき計算した結果を示している。図３におけるプロット（■印、◆印）は、上記サンプルで実測した結果を示している。
【００５０】
図３から明らかなように、実測値を表す各プロットは、上記モデルの計算結果を示す直線あるいはその付近に沿った位置にあることから、計算と実測はよく一致していることが分かる。この結果より、浮き上がり部の形状を三角関数として近似すると仮定した上記モデルは、浮き上がり部の解析に有効な手段であると判断できる。
【００５１】
［曲げ負荷時のテープ線ズレと浮き上がり高さの関係］
以下では、曲げ負荷時におけるセグメント内のテープ線ズレからセグメントのslack 高さを求めるため、テープ線のズレと slack高さの関係について述べる。
【００５２】
転位渡り長Ｌの１渡りピッチ分を考える。この１渡りピッチ分に配されている素線（線材）のうち、最も前方にズレているものと最も後方にズレているものとの差分をδと定義する。
【００５３】
この差分δが、保形用テープを設ける間隔ｌの間に集中することによって、テープ線の浮き上がり（slack） が生じると仮定した。この場合、テープ線を抑える働きをする保形用テープ間に存在する実際のテープ線の長さは、ｌとδの和となり、（ｌ＋δ）の形で表すことができる。
【００５４】
一方、このslack 高さをｈとし、浮き上がり部の軌線形状を三角関数として近似すると、この浮き上がり部の軌線長さは、（５）式で表記することができる。
【００５５】
【数５】

【００５６】
ここで、ｈπ／ｌ≪１とすると、上記（５）式は（６）式に変形される。
【００５７】
【数６】

【００５８】
よって、（ｌ＋δ）は（７）式で表記できる。
【００５９】
【数７】

【００６０】
ここで、ｌは（８）式で置換できる。
【００６１】
【数８】

【００６２】
よって、差分δは（９）式で表記できる。
【００６３】
【数９】

【００６４】
上記（９）式を変形することにより、浮き上がり高さのピーク値ｈは（１０）式となる。
【００６５】
【数１０】

【００６６】
また、テープに加わる歪量(ε)「の最大値」は（１１）式で表記される。
【００６７】
【数１１】

【００６８】
［差分δおよび浮き上がり(slack) 歪の最大値］
転位セグメントの曲げ途中で生じるセグメント内のテープズレ、すなわち、前述したように転位渡り長Ｌの１渡りピッチ分を考えたとき、この１渡りピッチ分に配されている素線（線材）のうち、最も前方にズレているものと最も後方にズレているものとの差分δについて述べる。
【００６９】
セグメントのズレは、素線（線材）が上部のみを経験して累積した場合、最も後方にずれ、下部のみ経験した場合は最も前方にずれる傾向にある。したがって、これら２つの素線（線材）のズレが最大の差分δを生む。
【００７０】
ゆえに、セグメントの中立軸に対しての曲率半径をｒとし、テープ線材の厚さをｔ、転位渡り長をＬ、セグメントの撚り本数を奇数のみとするセグメントの撚り本数をｎ、正の整数をｍとすると、
テープ線間の最大のズレすなわち差分δの最大値は、ｎ＝４ｍのとき（１２）式で表記される。
【００７１】
【数１２】

【００７２】
また、ｎ＝４ｍ＋２のとき、差分δの最大値は（１３）式で表記される。
【００７３】
【数１３】

【００７４】
したがって、浮き上がり(slack) 歪の最大限界値は、セグメント内におけるテープ線間の最大のズレすなわち差分δの最大値を、（１１）式で示したslack 歪の関係式に代入することにより求まり、ｎ＝４ｍのとき（１４）式で表記される。
【００７５】
【数１４】

【００７６】
また、ｎ＝４ｍ＋２のとき、浮き上がり(slack) 歪の最大限界値は、（１５）式で表記される。
【００７７】
【数１５】

【００７８】
これらのslack 歪の最大値は、テープ線が１回転する１ピッチの内に１回だけ生じる値であり、しかも１箇所の抑えテープ間に集中する場合を仮定して計算した値であることから、実際の場合より大きく見積もっていると考えられている。
【００７９】
［コイル巻きにおける転位セグメントの保形用テープの間隔］
セグメント中立軸までの半径をｒ、コイル（巻胴の半径）をｒ’、テープ線の厚さをｔとした場合、巻胴に接するテープ線について曲げ半径ｒによる歪量を厳密に計算すると、（１６）式となる。
【００８０】
【数１６】

【００８１】
ここで、テープ線の厚さｔが、曲げ半径すなわちコイル（巻胴の半径）ｒ’より十分小さいと仮定すると、３ｔ≪２ｒという関係になるので、曲げ半径ｒによる歪量は（１７）式で表記される。
【００８２】
【数１７】

【００８３】
セグメントをコイルに巻く場合、コンパクト化するために曲げ半径ｒを可能な限り小さくした場合、コイル巻き時の曲げ歪だけでなく、上述したslack 歪を考慮する必要がある。
【００８４】
コイル巻き時の曲げ歪を許容しうる最大限の歪をε_ｃｏｉｌとすると、先に求めたslack 歪の最大限界値ε_ｍａｘ は、巻いた際に生じる曲げ歪より小さくなる必要があるので、ε_ｍａｘ とε_ｃｏｉｌとの間には、（１８）式で表記される関係が成り立つ必要がある。
【００８５】
【数１８】

【００８６】
したがって、保形用テープを設ける間隔ｌは、超電導テープの厚さ（テープ厚）ｔ、転位超電導テープユニットを巻き付ける円筒体の半径（コイル巻き時の曲げ半径）ｒ、転位渡り部の長さ（転位渡り長）Ｌ、転位撚り合わせた素線の本数（転位撚り本数）ｎを用いると、ｎ＝４ｍのとき、（１９）式で表記される関係を満たす必要がある。ここで、ｍは正の整数である。
【００８７】
【数１９】

【００８８】
同様に、ｎ＝４ｍのとき、保形用テープを設ける間隔ｌは、（２０）式で表記される関係を満たすことが求められる。
【００８９】
【数２０】

【００９０】
つまり、上記（１９）式あるいは（２０）式で示すように、保形用のテープまたはラベルの間隔を調整して設けることにより、コイル巻き過程で生じるテープ線をなす素線間のズレによる歪（slack 歪）によって、超電導特性の低下を抑制できる。
【００９１】
（結束部の構造）
以下、複数本の素線を保形用テープで結束した部分（結束部と略称する）の構造について詳述する。
【００９２】
上述した（１９）式や（２０）式で表される保形用テープを設ける間隔ｌの設定条件を効果的に利用するためには、結束部の構成は次に示す点を満たすことが望ましい。
【００９３】
（１）非転位渡り部５２
図１に示すように、非転位渡り部５２の結束部６１では、転位セグメント１０は、非転位渡り部５２を構成するすべての超電導テープ２０の周囲に少なくとも１周巻回された１本の保形用テープ４５により結束されているが、巻終わり側の端部が保形用テープ４５の他の部分に粘着剤を介して貼着固定され、保形用テープ４５と超電導テープ２０とは貼着されていないように設ける。
【００９４】
（２）転位渡り部５１
転位渡り部５１の結束部６０は、以下に述べる構造が好ましい。
テープ状の平角断面を備えた素線２０が６本、転位撚り合わされた転位セグメント１０では、図１及び図２に示すように、各転位渡り部５１は、転位セグメント１０の長尺方向に対して平行方向に延在し位置が転位されていない４本の素線２０が束ねられた素線群３０Ａと、転位セグメント１０の長尺方向に対して非平行方向に延在し位置が転位されている一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂとからなっている。
【００９５】
図２（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示すように、一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂは、超電導素線群３０Ａをその上下から挟むように、素線群３０Ａの外方に配置されている。なお、図２（ｃ）、（ｂ）及び（ｄ）は、一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂが撚られた度合いの異なる箇所、すなわち図１におけるＢ−Ｂ’部分、Ａ−Ａ’部分及びＣ−Ｃ’部分を表している。
【００９６】
さらに、素線群３０Ａは、素線２０が厚み方向に２本積層された２つの素線積層体３０Ｂ、３０Ｃが、転位セグメント１０の幅方向に並列配置されたものであり、別の表現をすれば、幅方向に並列して配置された一対の素線２０Ｃ、２０Ｄが厚み方向に２層積み重ねられたものである。
【００９７】
なお、６本の素線が転位撚り合わされた転位セグメントに限らず、４以上の偶数本の素線が転位撚り合わされた転位セグメントであれば、転位渡り部の構造は同様である。但し、４本の素線が転位撚り合わされた転位セグメントでは、位置が転位されていない複数の素線からなる素線群は、２つの素線積層体の代わりに、転位セグメントの幅方向に並列する２つの素線によって構成される。
【００９８】
図２（ｂ）に示すように、転位セグメント１０は各結束部６０において複数の保形用テープ４０（４０Ａ〜４０Ｃ）によって結束されている。すなわち、素線群３０Ａは保形用テープ（第１の保形用テープ）４０Ａにより結束され、素線群３０Ａを挟んで配置された一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂは各々、保形用テープ４０Ａの外部に係止された保形用テープ（第２の保形用テープ）４０Ｂ、４０Ｃによって超電導テープ群３０Ａに拘束されている。
【００９９】
より詳細には、素線群３０Ａを結束する保形用テープ４０Ａは、素線群３０Ａを構成する２つの素線積層体３０Ｂ、３０Ｃ間の下端部を始点とし、素線積層体３０Ｂ、３０Ｃ間を通って上方に導かれ、素線群３０Ａの周囲に導出されている。さらに、素線群３０Ａの周囲に少なくとも一部が重なるように少なくとも一周巻回されており、保形用テープ４０Ａの巻終わり側の端部が保形用テープ４０Ａの他の部分（巻終わり側の端部の下側に重なって配設された部分）に粘着剤４１を介して貼着固定されている。
【０１００】
なお、図示したように、素線群３０Ａの周囲に導出された保形用テープ４０Ａは、素線群３０Ａと一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂとの間を通るように巻回されている。また、粘着剤４１は、素線群３０Ａを結束する前にあらかじめ保形用テープ４０Ａの一端部（巻終わり側の端部）の一方の面に塗布されていたものである。
【０１０１】
一方、図２（ｂ）において、素線群３０Ａの上側に配置された転位素線２０Ａを素線群３０Ａに拘束するための保形用テープ４０Ｂは、転位素線２０Ａの上面（素線群３０Ａ側と反対側の面）と両側面に沿って配設されている。さらに、保形用テープ４０Ｂは、転位素線２０Ａの両側面の下端部より両側方に延びるように配設されており、これらの部分が粘着剤４２を介して素線群３０Ａを結束する保形用テープ４０Ａの上面側に貼着されている。
【０１０２】
同様に、図２（ｂ）において、素線群３０Ａの下側に配置された転位素線２０Ｂを素線群３０Ａに結束するための保形用テープ４０Ｃは、転位素線２０Ｂの下面（素線群３０Ａ側と反対側の面）と両側面に沿って配設されている。さらに、保形用テープ４０Ｃは、転位素線２０Ｂの両側面の上端部より両側方に延びるように配設されており、これらの部分が粘着剤４３を介して素線群３０Ａを結束する保形用テープ４０Ａの下面側に貼着されている。
なお、粘着剤４２、４３は、あらかじめ保形用テープ４０Ｂ、４０Ｃの両端部の一方の面に塗布されていたものである。
【０１０３】
本実施形態に係る保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５の材質としては、du Pont社製のカプトン（商品名）等のポリイミドテープ、ポリプロピレンテープ、ポリエステルテープ等を例示することができる。
【０１０４】
本実施形態の転位セグメント１０によれば、各転位渡り部５１に、複数の保形用テープ４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）により結束された結束部６０を複数箇所設ける構成としたので、各転位渡り部５１の素線２０の動きを、より効果的に拘束することができる。その結果、転位渡り長（転位渡り部５１の長さ）にかかわらず、転位渡り部５１の構造、すなわち転位撚り構造を良好に保持することができる。
【０１０５】
また、本実施形態では、結束部６０において、転位セグメント１０を構成する複数の素線２０を、その延在方向によって分けて結束する構成を採用した。すなわち、転位セグメント１０の長尺方向に対して平行方向に延在する複数の素線２０からなる素線群３０Ａと、該素線群３０Ａを挟んで配置され、転位セグメント１０の長尺方向に対して非平行方向に延在する一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂとに分けて結束する構成を採用した。
【０１０６】
ここで、転位渡り部５１において、素線群３０Ａは、幅方向に並列して配置された一対の素線２０Ｃ、２０Ｄが厚み方向に積み重ねられた構成になっているので、素線群３０Ａの周囲に保形用テープ４０Ａを巻き付けることにより、素線群３０Ａを良好に拘束することができ、その形態を良好に保持することが可能となる。
【０１０７】
特に、本実施形態では、保形用テープ４０Ａの一部を、素線群３０Ａを構成する２つの素線積層体３０Ｂ、３０Ｃ間に介在させる構成を採用したので、幅方向に並列して配置される一対の素線２０Ｃ、２０Ｄを隔離すると共に、素線積層体３０Ｂ、３０Ｃに対する締結力を増すことができ、幅方向に並列して配置される一対の素線２０Ｃ、２０Ｄが部分的に重なったり、これらの間に過剰な隙間が形成されるなどの形態変化を抑制し、形態を良好に保持することができる。
【０１０８】
また、素線群３０Ａを挟んで配置された一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂについては、別の保形用テープ４０Ｂ、４０Ｃを用いて素線群３０Ａに拘束する構成としたので、これらについても良好に拘束することができる。
【０１０９】
特に、本実施形態では保形用テープ４０Ｂ、４０Ｃを、転位素線２０Ａ、２０Ｂの素線群３０Ａ側と反対側の面と両側面に沿って配設すると共に、転位素線２０Ａ、２０Ｂの両側面より両側方に延びるように配設し、両側面より両側方に延びるように配設した部分を粘着剤４２を介して素線群３０Ａを結束する保形用テープ４０Ａに貼着固定する構成を採用したので、転位素線２０Ａ、２０Ｂの長尺方向の動きを阻害することなく、幅方向の動きを拘束することとなり、より好適である。
【０１１０】
なお、本実施形態では、素線群３０Ａを１個の保形用テープ４０Ａにより結束し、一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂを各々保形用テープ４０Ｂ、４０Ｃにより素線群３０Ａに結束する構成としたが、用いる保形用テープの個数や、結束構造については適宜設計可能である。例えば、素線群３０Ａを複数の保形用テープにより結束し、一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂを同一の保形用テープにより結束する構成としても良い。
【０１１１】
また、上述したように、本実施形態では、各転位渡り部５１の素線２０の動きを拘束することができるので、曲げ歪みが印加されても、転位撚り構造を良好に保持することができる。
【０１１２】
さらに、本実施形態では、結束部６０、６１において、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５と素線２０とは貼着せず、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５の一部をそれ自身の他の部分若しくは他の保形用テープに貼着する構成を採用した。この構成よれば、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５が転位セグメント１０から離脱することを防止しつつ、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５と素線２０とは固着せず、各素線２０がその長尺方向に拘束されないように配置可能となると共に、各素線２０がその幅方向にも多少は可動するように自由度を設けることができる。
【０１１３】
したがって、転位セグメント１０に曲げ歪みが印加された際には、各素線２０が応力を緩和するように変形や移動することができ、各素線２０にかかる曲げ歪みを緩和することができる。その結果、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５による転位撚り構造の保持と、曲げ歪みの緩和の双方が相俟って、曲げ歪みに起因する転位撚り構造の乱れを効率よく抑制することが可能となる。
【０１１４】
なお、本実施形態では、各保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５をそれ自身の他の部分又は他の保形用テープに粘着剤を介して貼着固定する構成を採用したが、粘着剤の代わりに、接着剤を用いても構わない。また、粘着剤等を介在させることなく、テープ自身を融着させても同様の作用・効果が得られることは言うまでもない。
【０１１５】
以上の説明においては、各転位渡り部５１、各非転位渡り部５２に１箇所ずつ結束部６０、６１を設ける構成の例について詳述したが、転位渡り長さ等に応じて、各転位渡り部５１、各非転位渡り部５２に複数の結束部６０、６１を設ける構成としても良い。
【０１１６】
すなわち、本発明に係る転位セグメントの特徴として前述したように、テープ状の素線を複数本、転位撚り合わせてなり、各転位渡り部はこれを結束する保形用テープにより複数箇所で保形されている転位セグメントにおいて、
前記転位セグメントを巻き付けるために用いる円筒体の中心から該転位セグメントの中立軸までの半径をｒ、前記保形用テープを設ける間隔をｌ、前記テープ状の素線の厚さをｔ、前記転位撚り合わせた素線の本数をｎ、前記転位渡り部の長さをＬ、正の整数をｍと定義した場合、
ｎ＝４ｍのときは、
前記間隔ｌが（２π^２ｎ^２ｔｒＬ）^１／３ 以上となる関係式が、
ｎ＝４ｍ＋２のときは、
前記間隔ｌが｛２π^２（ｎ^２＋４）ｔｒＬ｝^１／３ 以上となる関係式が、
それぞれ成り立つように設定することにより、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（slack） の影響を著しく抑制できる。
【０１１７】
したがって、かかる構成の転位セグメント１０を用い、後述する各種の超電導応用機器を作製することにより、優れた超電導特性、すなわち交流電流通電時の交流損失が低減され、偏流が抑制された、良好な特性を備えた超電導応用機器の提供を可能とする。
【０１１８】
［超電導応用機器］
次に、上述した本発明に係る転位セグメントを用いた超電導応用機器の実施形態について説明する。
【０１１９】
（超電導ケーブル）
図４は、超電導ケーブルの一実施形態を示す斜視図である。
本実施形態の超電導ケーブル１７０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）１７７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１８４が積層され、これら超電導体層１８４、１８４間に絶縁テープ等からなる層間絶縁層１８５が形成されたものである。また、超電導ケーブル１７０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形成されて使用される。
【０１２０】
フォーマ１７７はステンレス鋼などからなり、その表面にはフォーマ１７７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２０の冷却が行われるようになっている。
【０１２１】
（超電導マグネット）
図５は、超電導マグネットの一実施形態を示す斜視図である。
本実施形態の超電導マグネット２９０は、巻胴２９１と一対の鍔板２９２とを具備してなる巻枠２９３に、上記の転位セグメント１０が巻き付けられたものである。そして、転位セグメント１０の端未部２９５ａは鍔板２９２の周縁部に形成された切り欠き状の通過孔２９２ａを介して鍔板２９２の外部に引き出され、この通過孔２９２ａを通過する転位セグメント１０の引出部の手前部分２９５ｂが、鍔板２９２の外周縁部に固定された補強板２９７により覆われている。
【０１２２】
（超電導変圧器）
図６は、超電導変圧器の一実施形態を示す斜視図である。図７は、図６のＤ−Ｄ’部分における断面図である。
本実施形態の超電導変圧器３００は、円筒型の巻胴３０２ａを備えたボビン３０２と、該ボビン３０２の巻胴３０２ａの軸方向一端側から他端側に多層に巻き付けられた上記の転位セグメント１０と、積層された転位セグメント１０の各層同士を隔てるスペーサ３０５とを備えたものである。
【０１２３】
ボビン３０２は、巻胴３０２ａと、その両端に設けられたフランジ３０２ｂ、３０２ｃとからなるものであり、このボビン３０２の巻胴３０２ａの外周には、転位セグメント１０が多層に巻き付けられている。
【０１２４】
スペーサ３０５は、積層された転位セグメント１０の各層同士を隔て、転位セグメント１０が冷媒により効率よく冷却されるようにするために設けられており、その長手方向がボビン軸方向に沿うようにして、ボビン１０２の周方向に間隔をおいて複数設けられている。
【０１２５】
また、転位セグメント１０の各層間の間隔、及び、転位セグメント１０とフランジ３０２ｂ、３０２ｃとの間隔は、冷媒の流路となる冷却チャンネル３０４とされている。そして、超電導変圧器３００を使用する際には、転位セグメント１０の超電導状態を保つため、超電導変圧器３００を液体ヘリウムなどの冷媒中に浸漬して冷却できるようになっている。
【０１２６】
以上の超電導ケーブル１７０、超電導マグネット２９０、超電導変圧器３００は、転位撚り構造を良好に保持でき、かつ、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（slack） の影響を著しく抑制できる、本発明に係る転位セグメント１０を用いて構成されたものであるので、優れた超電導特性、すなわち交流電流通電時の交流損失が低減され、偏流が抑制された、良好な特性を有するものとなる。
【０１２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、テープ状の素線を複数本、転位撚り合わせてなり、各転位渡り部はこれを結束する保形用テープにより複数箇所で保形されている転位セグメントにおいて、各転位渡り部を結束する保形用テープの間隔ｌを、転位撚り合わせた素線の本数ｎに応じて、特定の関係式が成立するように設定したことにより、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（slack） の影響による、超電導特性の低下を抑制することができる、転位セグメントを提供することが可能となる。
【０１２８】
また、上記構成の転位セグメントは、優れた超電導特性、すなわち交流電流通電時の交流損失が低減され、偏流が抑制された、良好な特性を備えた各種の超電導応用機器の提供に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る転位セグメントの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】 図１に示した転位セグメントの断面図である。
【図３】 テープ線の浮き上がり高さ(slack高さ：ｙ) と加わる歪量(ε)との関係を示すグラフである。
【図４】 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５】 本発明に係る超電導マグネットの一実施形態を示す斜視図である。
【図６】 本発明に係る超電導変圧器の一実施形態を示す斜視図である。
【図７】 図６に示した超電導変圧器の断面図である。
【図８】 従来の転位セグメントの一実施形態を示す斜視図である。
【図９】 従来の転位セグメントの問題を説明するための図である。
【図１０】 従来の転位セグメントの他の一実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図１１】 転位セグメントをある曲げ径のドラムに巻き付けた時の素線の緩みを示す説明図である。
【図１２】 転位セグメントの中立軸と素線のズレを示す説明図である。
【図１３】 ズレを検証するために用いた転位セグメントのモデルを示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 転位セグメント、２０ 素線、２０ｓ 金属基板、２０ｔ 中間層、２０ｒ 高温超電導材料、２１ 超電導素線、４０、４０ａ〜４０ｃ 保形用テープ、５１ 転位渡り部、５２ 非転位渡り部、６０ 結束部、１７０ 超電導ケーブル（超電導応用機器）、２９０ 超電導マグネット（超電導応用機器）、３００ 超電導変圧器（超電導応用機器）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the improvement of dislocation segments and superconducting application devices in which a plurality of dislocation strands of tape-like strands are twisted, and more specifically, in the process of winding the dislocation segments around a cylindrical body when manufacturing a coil or the like. The present invention relates to a dislocation segment and a superconducting application device capable of suppressing a maximum limit value of strain due to a gap between strands (slack strain) smaller than a bending strain at the time of coil winding.
[0002]
[Prior art]
As a method to suppress the special drift that is caused by applying an alternating current to a superconducting cable, a dislocation twisted wire structure called a dislocation superconducting tape unit (hereinafter referred to as a dislocation) is formed by twisting a plurality of strands of tape-like superconductors. (Referred to as Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-203958
[0004]
As shown in FIG. 8, for example, a dislocation twisted wire 425 in which a plurality of tape-shaped strands 416 are twisted together is a dislocation portion in which a specific strand 416 crosses over another adjacent strand 416. (Hereinafter referred to as a dislocation crossing portion) 420 is formed. For example, when the strand 416 is made of a flexible metal material, for example, if the width of the strand 416 is about 2 mm, the length P of the dislocation transition portion 420 can be set to about 100 mm.
[0005]
However, for example, Bi-based superconducting wires are often used as the material of the wires in superconducting wires used for superconducting cables and the like. However, since this Bi wire has a low current density, silver is used for the sheath material. As a result, the strength is low. In addition, at liquid nitrogen temperature, there was also a tendency for the specification to decrease in a magnetic field.
[0006]
Therefore, dislocation segments are produced using Y-based superconducting wires instead of Bi-based superconducting wires, coils are produced using these dislocation segments, and use in superconducting equipment such as superconducting magnets that can be used at liquid nitrogen temperatures has been studied. ing.
[0007]
However, currently produced Y-based wire rods have a wire width of about 10 mm and a thickness of about 0.1 mm. Therefore, it is necessary to set the dislocation transition length, that is, the length P of the dislocation portion 103 to be longer according to the width of the strand 416.
[0008]
However, when the dislocation transition length exceeds 250 mm, the adjacent tape-like wires 416 in the dislocation segment overlap each other as shown in FIG. 9A, or as shown in FIG. 9B. Since the gap is excessively opened and the shape of the dislocation segment is liable to collapse, development of a countermeasure for suppressing or preventing this has been desired. In particular, when the strand rises or bends in an unintended direction at the dislocation transition portion, not only the shape cannot be maintained, but also there is a concern about the deterioration of the characteristics of the dislocation twisted wire, such as an increase in resistance and conduction failure.
[0009]
As a countermeasure against this problem, for example, a dislocation segment having a bundling portion retained by a shape retaining tape can be cited. FIG. 10 shows an example in which one bundling portion is provided in the non-dislocation transition portion.
[0010]
FIG. 10A is a perspective view of the dislocation segment 500, which has a configuration in which six tape-shaped strands 510 are twisted together by dislocation twisting, and the non-dislocation transition portion 530 is bound by a shape-retaining tape 540. A case is shown in which one part is arranged and no shape-retaining tape is provided in the dislocation transition part 520. FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line XX ′ of FIG. 10A, that is, a cross-sectional structure of the dislocation transition part 520, and shows a state where no shape-retaining tape is provided in this part.
[0011]
As shown in FIG. 10, by providing dislocation transition portions and non-dislocation transition portions, it is possible to considerably prevent the shape of the dislocation segment from being broken. However, it has been found that when the dislocation segment is wound around a cylindrical drum, particularly when the drum diameter is small, the problem of the shape change of the dislocation segment becomes obvious again.
[0012]
As shown in FIG. 11, when a dislocation segment 715 around which a shape-retaining tape 731 is wound at a predetermined interval is wound around a drum 732 having a certain bending diameter, a loose wire 733 appears in the feeding direction of the dislocation segment 715. Since the loosening 733 of the strand corresponds to the bending strain load of the dislocation segment 715, it is important to grasp the amount of strain when the loosening 733 is maximized.
[0013]
In other words, when the dislocation segment is wound around a drum or coiled, the strand positioned above the neutral axis of the dislocation segment is wound with a large diameter, whereas the strand positioned below is wound with a small diameter. As a result, deviation occurs between the strands in the dislocation segment. This deviation appears as slack of dislocation segments when drum winding or coil winding is performed.
[0014]
Therefore, when the behavior of the dislocation twisted wire when the dislocation twisted wire is wound around a drum having a certain bending diameter, that is, the above-described deviation and loosening, was found, the result of FIG. 11 was obtained.
[0015]
As shown in FIG. 11, since the loosening 733 of the wire corresponds to the bending strain load of the dislocation segment 715, the amount of strain when the loosening 33 reaches the maximum was investigated. At that time, as shown in FIG. 12, a structure in which six strands were twisted as a model of the dislocation segment 715 was adopted. Further, the dislocation transition portion of the dislocation segment 715 consisting of the length P of the dislocation transition portion and the thickness t of each strand is from the center of a cylinder (hereinafter also referred to as a drum) used for winding the dislocation segment. It is assumed that the drum is wound around a drum set so that the radius to the neutral axis α is r.
[0016]
In this model, it is considered that the number of strands stacked in the process of dislocation is the maximum of four layers. In this case, the neutral axis α of the dislocation transition portion at the time of bending load exists between the second and third strands, and the neutral axis α per one dislocation transition portion and the uppermost strand The deviation is represented by (3tP) / (2r). When the dislocation segment 715 is wound around a drum having a radius r, when the strand passes through the uppermost layer of the dislocation transition portion, it is displaced in the feeding direction by this length.
[0017]
Assuming an arrangement of dislocation segments 715 as shown in FIG. 13, when the deviation from the neutral axis α at each position is normalized by tP / r, it can be expressed as shown in Table 1.
[0018]
[Table 1]

[0019]
In Table 1, a negative value indicates a deviation in the winding direction, and a positive value indicates a deviation in the feeding direction. When attention is paid to a single strand that constitutes a six-strand dislocation segment, the strand returns to the initial position after passing through the dislocation transition portion six times. Now, taking six strands at positions A, B, C, D, E, and F as shown in FIG. 13 as an example, each strand passes through six rotation positions. Accordingly, it has become clear that this is repeated through the positions of A, B, C, D, E, and F sequentially.
[0020]
Therefore, the distortion generated in the dislocation transition portion becomes significantly larger as the length of the dislocation transition portion becomes longer. In addition, as the bending radius of the drum becomes smaller, the distortion generated in the dislocation transition portion becomes significantly larger.
[0021]
In recent years, there are an increasing number of cases in which a highly rigid dislocation twisted wire composed of a highly rigid strand such as a superconducting material is wound around a drum having a small bending radius. Since such a high-rigidity dislocation stranded wire needs to set the length of the dislocation portion to be long, if it is wound around a drum having a small bending radius, the strain generated in the dislocation portion will be further increased.
[0022]
In particular, when a plurality of wires constituting a dislocation stranded wire are bundled in a spiral shape with an insulating tape such as polyimide tape to improve the pressure resistance characteristics of the dislocation portion, the wire material rises at the dislocation portion or bends in an unintended direction. As a result, it is not only impossible to maintain the shape, but also there is a concern about the deterioration of the characteristics of the dislocation stranded wire, such as an increase in resistance and conduction failure.
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to suppress a decrease in superconducting characteristics due to the influence of a slack caused by a gap between tape wires generated in a coil winding process. The purpose is to provide superconducting equipment.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
The dislocation segment according to the present invention is
In dislocation segments that are formed by twisting dislocation strands of tape-shaped strands, and each dislocation transition part is retained at multiple locations by a shape-retaining tape that binds this,
The radius from the center of the cylindrical body used to wind the dislocation segment to the neutral axis of the dislocation segment is r, the interval at which the shape-retaining tape is provided is l, the thickness of the tape-shaped strand is t, and the dislocation When the number of twisted strands is defined as n, the length of the dislocation transition portion is defined as L, and a positive integer is defined as m,
When n = 4m
The interval l is (2π ² n ² trL) ^1/3 That's it,
When n = 4m + 2,
The interval l is {2π ² (N ² +4) trL} ^1/3 That's it,
It is characterized by that.
[0025]
In the present specification, the “dislocation transition portion” means a portion where there is a strand that extends in a non-parallel direction with respect to the longitudinal direction of the dislocation segment and is displaced in position.
[0026]
According to such a configuration, the interval l between the shape-retaining tapes for binding the dislocation crossing portions is expressed by a specific relational expression, that is, n is 4 m according to the number n of strands twisted by dislocations. Is the interval l ≧ (2π ² n ² trL) ^1/3 When n is expressed by (4m + 2), the interval l ≧ {2π ² (N ² +4) trL} ^1/3 Thus, it is possible to suppress the deterioration of the superconducting characteristics due to the influence of the slack caused by the deviation between the tape wires generated in the coil winding process. Here, the deterioration of the superconducting characteristics means reduction of alternating current loss when alternating current is applied and occurrence of drift.
[0027]
In the present invention, as the element wire, a metal substrate provided with a superconducting layer can be used.
In the dislocation superconducting tape unit according to the present invention, since the shape-retaining tape is provided at the interval l shown by the relational expression described above, it is necessary to dare to select a material having an appropriate flexibility for the base material as in the past. Will disappear. Therefore, dislocation twisting is difficult, but it is possible to use a metal substrate having high strength and high rigidity. In particular, it is more preferable to use, for example, stainless steel or hastelloy alloy as the metal base material because the tensile strength and rigidity can be remarkably enhanced.
[0028]
In addition, as the superconducting layer according to the present invention, a layer made of an oxide superconductor can be used.
In the dislocation superconducting tape unit according to the present invention, since the metal substrate can be used, it is easy to form a high-performance oxide superconductor layer on the surface of the metal substrate using vapor deposition technology. is there.
[0029]
The superconducting application device according to the present invention is configured using the dislocation segment of the present invention described above. Specific examples of the superconducting application device include a superconducting cable, a superconducting transformer, a superconducting magnet, a superconducting current limiter, and the like.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Before describing in detail the setting conditions of the interval l for providing the shape-retaining tape in the dislocation segment according to the present invention, an overall configuration of one embodiment of the dislocation segment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
[0031]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a dislocation segment according to the present invention. 2 is a cross-sectional view of the dislocation segment shown in FIG. 1, wherein (a) and (b) are AA ′ portions, (c) are BB ′ portions, and (d) CC ′ portions, respectively. To express. In addition, (a) shows the state which is not winding the shape-retaining tape mentioned later, (b)-(d) is a figure which shows the state which wound the shape-retaining tape.
[0032]
As shown in FIG. 1, the dislocation segment 10 of this embodiment includes six tape-shaped strands 20 that are displaced and twisted so that each strand 20 is displaced in the longitudinal direction by sequentially changing its position. Bundled with a shape-retaining tape at predetermined intervals.
[0033]
In this embodiment, each non-dislocation transition portion 52 located between adjacent dislocation transition portions 51 is provided with a binding portion 61 that is retained by the shape retaining tape 45, and each dislocation transition portion 51 includes The case where the binding part 60 shape-retained by the shape-retaining tape 40 (40a, 40b, 40c) which binds this is provided in multiple places is shown.
[0034]
The strand 20 may be a strand of any material as long as it is a strand having a tape-like rectangular cross section as shown in FIG. 2, but preferably the intermediate layer 20t on the metal substrate 20s. A superconducting element wire 21 in which a high-temperature superconducting material 20r is formed is used, and its cross-sectional shape is preferably rectangular.
[0035]
The strand 20 in FIG. 1 and FIG. 2 is Y in particular via a yttrium-stabilized zirconia (YSZ) intermediate layer 20t on a metal substrate 20s such as Hastelloy. ₁ Ba ₂ Cu ₃ O _7-x The case where the tape-shaped superconducting wire 21 provided with the high-temperature superconducting material 20r such as the oxide superconducting material on which (Y123) is formed is shown.
[0036]
In addition to this form, the tape-shaped superconducting wire 21 may employ a flattened superconducting multi-core wire (superconducting wire) having a circular cross section in a flat shape by rolling or the like. . Here, the superconducting multi-core wire is provided with a plurality of core portions made of a superconductor such as a superconducting filament or a material that becomes a superconductor by heat treatment, inside a base made of a sheath material such as Ag, Pt, or Au. Means things.
[0037]
As a superconductor constituting the core portion or a material that becomes a superconductor by heat treatment, Bi is used. ₂ Sr ₂ Ca ₁ Cu ₂ O _x (Bi2212), Bi ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _y (Bi2223), Bi _1.6 Pb _0.4 Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _x An oxide superconducting material having a composition represented by Also, Nb ₃ Sn, Nb ₃ A low temperature superconducting material having a composition such as Al can be exemplified. These may be used individually by 1 type and may use multiple types together.
[0038]
The high resistance film 22 is made of a sulfide (for example, silver sulfide) of a sheath material that constitutes the base, and is configured to have a higher electrical resistivity than the sheath material that constitutes the base. Further, the high resistance film 22 may be constituted by an ultraviolet curable resin film.
[0039]
[Bending strain applied to tape wire]
When winding the tape-shaped wire (hereinafter abbreviated as tape wire) according to the present invention (winding step) or winding the coil (coil winding step), the tape wire in the dislocation segment, Assuming a case where a slack of a certain height y occurs, the results of studying bending strain applied to the tape wire will be described. In this study, we assumed that the shape of slack can be approximated by trigonometric functions.
[0040]
When the interval of the shape-retaining tape for bundling the dislocation segments is 1 and the peak value of the lifted height is h, the height y at the position x is expressed by the equation (1) where 0 is one end position of the shape-retaining tape. Is done.
[0041]
[Expression 1]

[0042]
The curvature radius R in the curve represented by the above formula (1) is expressed by the formula (2).
[0043]
[Expression 2]

[0044]
Here, assuming that the thickness of the strand is t, the bending strain applied to the tape wire is expressed by equation (3).
[0045]
[Equation 3]

[0046]
Therefore, the distortion rises to the maximum near the center, and the value is expressed by equation (4).
[0047]
[Expression 4]

[0048]
In order to verify this model, a strain gauge was attached to the top of the slack, and the height of the tape (slack height: y) and the amount of strain applied to the tape (ε) were measured.
The sample used for the test is a segment of SUS tape base material, size 0.2 mm × 2.0 mm, dislocation transition length 400 mm, and binding tape interval 95 mm.
[0049]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the raised height (slack height: y) of the tape wire and the applied strain amount (ε). The straight line shown in FIG. 3 shows the result calculated based on the model described above. Plots (■ marks, ♦ marks) in FIG. 3 show the results of actual measurement with the above samples.
[0050]
As is clear from FIG. 3, each plot representing the actual measurement value is at a position along the straight line indicating the calculation result of the model or the vicinity thereof, and thus it is understood that the calculation and the actual measurement are in good agreement. From this result, it can be determined that the above model, which is assumed to approximate the shape of the raised portion as a trigonometric function, is an effective means for analyzing the raised portion.
[0051]
[Relationship between tape line deviation and lifting height during bending load]
In the following, the relationship between the tape line displacement and the slack height is described in order to obtain the segment slack height from the tape wire displacement within the segment under bending load.
[0052]
Consider one transition pitch of dislocation transition length L. Of the strands (wires) arranged for this one-way pitch, the difference between the one that is shifted forward and the one that is shifted backward is defined as δ.
[0053]
It was assumed that the difference δ is concentrated during the interval l where the shape-retaining tape is provided, thereby causing the tape line to slack. In this case, the actual length of the tape line existing between the shape-retaining tapes that serves to suppress the tape line is the sum of l and δ, and can be expressed as (l + δ).
[0054]
On the other hand, when the slack height is h and the rail shape of the raised portion is approximated as a trigonometric function, the rail length of the raised portion can be expressed by equation (5).
[0055]
[Equation 5]

[0056]
Here, when hπ / l << 1, the above equation (5) is transformed into the following equation (6).
[0057]
[Formula 6]

[0058]
Therefore, (l + δ) can be expressed by equation (7).
[0059]
[Expression 7]

[0060]
Here, l can be replaced by the formula (8).
[0061]
[Equation 8]

[0062]
Therefore, the difference δ can be expressed by equation (9).
[0063]
[Equation 9]

[0064]
By changing the above equation (9), the peak value h of the lifting height becomes the equation (10).
[0065]
[Expression 10]

[0066]
Further, the “maximum value” of the strain amount (ε) applied to the tape is expressed by equation (11).
[0067]
[Expression 11]

[0068]
[Maximum difference δ and slack distortion]
The tape deviation in the segment that occurs during the bending of the dislocation segment, that is, when the transition pitch length of one transition pitch L is considered as described above, among the strands (wires) arranged in this transition pitch length, The difference δ between the most misaligned and most misaligned will be described.
[0069]
When the strands (wires) experience only the upper part and accumulate, the deviation of the segment tends to be shifted most backward, and when only the lower part is experienced, it tends to shift most forward. Therefore, the difference between these two strands (wires) produces the maximum difference δ.
[0070]
Therefore, the radius of curvature with respect to the neutral axis of the segment is r, the thickness of the tape wire is t, the dislocation transition length is L, the number of twisted segments is only an odd number, the number of twisted segments is n, and a positive integer is If m,
The maximum deviation between tape lines, that is, the maximum value of the difference δ is expressed by equation (12) when n = 4 m.
[0071]
[Expression 12]

[0072]
When n = 4m + 2, the maximum value of the difference δ is expressed by equation (13).
[0073]
[Formula 13]

[0074]
Therefore, the maximum limit value of the slack distortion is obtained by substituting the maximum deviation between the tape lines in the segment, that is, the maximum value of the difference δ, into the relational expression of the slack distortion expressed by the equation (11). When n = 4 m, it is expressed by equation (14).
[0075]
[Expression 14]

[0076]
When n = 4m + 2, the maximum limit value of the slack distortion is expressed by the equation (15).
[0077]
[Expression 15]

[0078]
The maximum value of these slack distortions is a value that occurs only once within one pitch of one rotation of the tape wire, and is a value calculated on the assumption that the tape wire is concentrated between one suppression tape. It is considered that the estimate is larger than the actual case.
[0079]
[Interval of shape retention tape for dislocation segments in coil winding]
When the radius to the segment neutral axis is r, the coil (radius of the winding drum) is r ′, and the thickness of the tape wire is t, the amount of distortion due to the bending radius r is strictly calculated for the tape wire in contact with the winding drum. (16)
[0080]
[Expression 16]

[0081]
Here, if it is assumed that the thickness t of the tape wire is sufficiently smaller than the bending radius, that is, the coil (winding drum radius) r ′, the relationship 3t << 2r is established. It is written with.
[0082]
[Expression 17]

[0083]
When a segment is wound around a coil, if the bending radius r is made as small as possible in order to make it compact, it is necessary to consider not only the bending strain at the time of coil winding but also the above-described slack strain.
[0084]
Ε is the maximum strain that can tolerate bending strain when winding the coil. _coil Then, the maximum limit value ε of slack distortion obtained earlier _max Is required to be smaller than the bending strain that occurs when winding, so ε _max And ε _coil The relationship expressed by the equation (18) needs to be established.
[0085]
[Formula 18]

[0086]
Accordingly, the interval l where the shape retaining tape is provided is the thickness of the superconducting tape (tape thickness) t, the radius of the cylindrical body around which the dislocation superconducting tape unit is wound (bending radius when winding the coil) r, the length of the dislocation transition portion ( If the dislocation transition length (L) and the number of strands twisted by dislocation (number of dislocation twist) n are used, when n = 4 m, it is necessary to satisfy the relationship expressed by the equation (19). Here, m is a positive integer.
[0087]
[Equation 19]

[0088]
Similarly, when n = 4 m, the interval l for providing the shape-retaining tape is required to satisfy the relationship expressed by the equation (20).
[0089]
[Expression 20]

[0090]
In other words, as shown in the above equation (19) or (20), by adjusting the interval of the shape-retaining tape or label, distortion caused by the deviation between the strands forming the tape wire in the coil winding process The decrease in superconducting characteristics can be suppressed by (slack strain).
[0091]
(Bundling structure)
Hereinafter, the structure of a portion (abbreviated as a binding portion) in which a plurality of strands are bound with a shape-retaining tape will be described in detail.
[0092]
In order to effectively use the setting condition of the interval l for providing the shape-retaining tape represented by the above-described formulas (19) and (20), it is desirable that the configuration of the bundling portion satisfy the following points. .
[0093]
(1) Non-dislocation transition part 52
As shown in FIG. 1, in the binding portion 61 of the non-dislocation transition portion 52, the dislocation segment 10 is wound around at least one round around all the superconducting tapes 20 constituting the non-dislocation transition portion 52. The ends of the winding end side are bonded and fixed to other parts of the shape-retaining tape 45 via an adhesive, and the shape-retaining tape 45 and the superconducting tape 20 are pasted together. Provide so that it is not worn.
[0094]
(2) Dislocation crossover 51
The bundling portion 60 of the dislocation crossing portion 51 preferably has the structure described below.
In the dislocation segment 10 in which six strands 20 having a tape-like rectangular cross section and dislocation twist are twisted, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, each dislocation transition portion 51 is in the longitudinal direction of the dislocation segment 10. A group of strands 30A in which four strands 20 that extend in the parallel direction and whose positions are not dislocated are bundled, and the dislocation segments 10 extend in a non-parallel direction with respect to the longitudinal direction of the dislocation segments 10 and are displaced in position. It consists of a pair of dislocation strands 20A and 20B.
[0095]
As shown in FIGS. 2B, 2C, and 2D, the pair of dislocation wires 20A and 20B are arranged outside the wire group 30A so as to sandwich the superconducting wire group 30A from above and below. Has been. 2 (c), 2 (b) and 2 (d) are different locations where the pair of dislocation strands 20A and 20B are twisted, that is, the BB 'portion, the AA' portion in FIG. This represents the CC ′ portion.
[0096]
Furthermore, the strand group 30A includes two strand laminates 30B and 30C in which two strands 20 are laminated in the thickness direction, which are arranged in parallel in the width direction of the dislocation segment 10. In this case, two pairs of strands 20C and 20D arranged in parallel in the width direction are stacked in two layers in the thickness direction.
[0097]
The structure of the dislocation transition part is the same as long as it is not limited to the dislocation segment in which the six strands are dislocation-twisted but is a dislocation segment in which an even number of four or more strands are dislocation-twisted. However, in a dislocation segment in which four strands are dislocation-twisted, a strand group consisting of a plurality of strands whose positions are not dislocated is arranged in parallel in the width direction of the dislocation segment instead of two strand stacks. It is constituted by two strands.
[0098]
As shown in FIG. 2 (b), the dislocation segments 10 are bound by a plurality of shape-retaining tapes 40 (40 </ b> A to 40 </ b> C) at each binding portion 60. That is, the strand group 30A is bound by a shape-retaining tape (first shape-retaining tape) 40A, and the pair of dislocation strands 20A and 20B arranged across the strand group 30A is each a shape-retaining tape. The superconducting tape group 30A is constrained by shape-retaining tapes (second shape-retaining tapes) 40B and 40C locked to the outside of 40A.
[0099]
More specifically, the shape-retaining tape 40A for binding the strand group 30A starts from the lower end portion between the two strand laminates 30B and 30C constituting the strand group 30A, and the strand laminates 30B and 30C. It is guided upward through the gap and led out around the strand group 30A. Further, the wire group 30A is wound at least once so as to overlap at least part of the periphery of the wire group 30A, and the end portion on the winding end side of the shape retaining tape 40A is the other portion (winding end side). Is attached and fixed via an adhesive 41 to a portion disposed to overlap the lower side of the end portion.
[0100]
As shown in the figure, the shape-retaining tape 40A led out around the strand group 30A is wound so as to pass between the strand group 30A and the pair of dislocation strands 20A and 20B. Further, the adhesive 41 is applied in advance to one surface of one end portion (end portion on the winding end side) of the shape retaining tape 40A before binding the strand group 30A.
[0101]
On the other hand, in FIG. 2B, the shape retaining tape 40B for constraining the dislocation strands 20A arranged on the upper side of the strand group 30A to the strand group 30A is an upper surface (the strand group) of the dislocation strands 20A. 30A side and the opposite side surface) and both side surfaces. Furthermore, the shape-retaining tape 40B is disposed so as to extend to both sides from the lower end portions on both sides of the dislocation strand 20A, and these portions bind the strand group 30A via the adhesive 42. It is stuck on the upper surface side of the forming tape 40A.
[0102]
Similarly, in FIG. 2B, the shape-retaining tape 40C for binding the dislocation strands 20B arranged on the lower side of the strand group 30A to the strand group 30A is the bottom surface (elements) of the dislocation strand 20B. The surface on the opposite side to the line group 30A side) and both side surfaces. Furthermore, the shape-retaining tape 40C is disposed so as to extend to both sides from the upper end portions on both sides of the dislocation strand 20B, and these portions bind the strand group 30A via the adhesive 43. It is stuck on the lower surface side of the forming tape 40A.
The pressure-sensitive adhesives 42 and 43 are previously applied to one surface of both end portions of the shape-retaining tapes 40B and 40C.
[0103]
Examples of the material for the shape-retaining tapes 40A to 40C and 45 according to the present embodiment include polyimide tapes such as Kapton (trade name) manufactured by du Pont, polypropylene tapes, polyester tapes, and the like.
[0104]
According to the dislocation segment 10 of the present embodiment, each dislocation transition portion 51 is provided with a plurality of binding portions 60 that are bound by a plurality of shape retaining tapes 40 (40a, 40b, 40c). The movement of the strand 20 of the crossover part 51 can be restrained more effectively. As a result, regardless of the dislocation transition length (the length of the dislocation transition portion 51), the structure of the dislocation transition portion 51, that is, the dislocation twist structure can be satisfactorily maintained.
[0105]
Moreover, in this embodiment, the structure which divides | segments the some strand 20 which comprises the dislocation segment 10 according to the extension direction in the binding part 60 was employ | adopted. That is, a strand group 30A composed of a plurality of strands 20 extending in a direction parallel to the longitudinal direction of the dislocation segment 10 and the strand group 30A are arranged so as to extend in the longitudinal direction of the dislocation segment 10 On the other hand, a configuration was adopted in which a pair of dislocation strands 20A and 20B extending in a non-parallel direction was bundled separately.
[0106]
Here, in the dislocation crossover portion 51, the strand group 30A has a configuration in which a pair of strands 20C and 20D arranged in parallel in the width direction are stacked in the thickness direction. By winding the shape-retaining tape 40A around, the strand group 30A can be restrained satisfactorily, and the form can be kept well.
[0107]
In particular, in the present embodiment, a configuration in which a part of the shape-retaining tape 40A is interposed between the two wire laminates 30B and 30C constituting the wire group 30A is arranged in parallel in the width direction. The pair of strands 20C and 20D can be isolated and the fastening force to the strand stacks 30B and 30C can be increased, and the pair of strands 20C and 20D arranged in parallel in the width direction is partially It is possible to suppress a change in form such as overlapping or forming an excessive gap between them, and to keep the form well.
[0108]
Further, the pair of dislocation strands 20A and 20B arranged with the strand group 30A interposed therebetween is constrained to the strand group 30A by using another shape-retaining tape 40B and 40C. It can be restrained well.
[0109]
In particular, in this embodiment, the shape-retaining tapes 40B and 40C are disposed along the opposite side surface and both side surfaces of the dislocation strands 20A and 20B, and the dislocation strands 20A and 20B. The portions arranged so as to extend to both sides from both side surfaces and the portions arranged to extend to both sides from both side surfaces are adhered and fixed to the shape-retaining tape 40A for binding the strand group 30A via the adhesive 42. Since the configuration is adopted, the movement in the width direction is restrained without hindering the movement of the dislocation strands 20A and 20B in the longitudinal direction, which is more preferable.
[0110]
In the present embodiment, the strand group 30A is bound by one shape-retaining tape 40A, and the pair of dislocation strands 20A, 20B is bound to the strand group 30A by the shape-retaining tapes 40B, 40C, respectively. However, the number of shape-retaining tapes used and the bundling structure can be appropriately designed. For example, the strand group 30A may be bound by a plurality of shape retaining tapes, and the pair of dislocation strands 20A and 20B may be bound by the same shape retaining tape.
[0111]
Further, as described above, in the present embodiment, the movement of the strand 20 of each dislocation transition part 51 can be restricted, so that even when bending strain is applied, the dislocation twist structure can be satisfactorily maintained. .
[0112]
Furthermore, in this embodiment, in the binding parts 60 and 61, the shape-retaining tapes 40A to 40C and 45 and the strands 20 are not attached, and a part of the shape-retaining tapes 40A to 40C and 45 is other than itself. The structure of sticking to the part or other shape-retaining tape was adopted. According to this configuration, the shape-retaining tapes 40A to 40C and 45 are not fixed to the strands 20 while preventing the shape-retaining tapes 40A to 40C and 45 from being detached from the dislocation segments 10, and the strands 20 are not fixed. Can be arranged so as not to be constrained in the longitudinal direction, and a degree of freedom can be provided so that each strand 20 can be moved somewhat in the width direction.
[0113]
Therefore, when a bending strain is applied to the dislocation segment 10, each strand 20 can be deformed or moved so as to relax the stress, and the bending strain applied to each strand 20 can be relaxed. As a result, both retention of the dislocation twist structure by the shape-retaining tapes 40A to 40C and 45 and relaxation of the bending strain can be combined to efficiently suppress the disorder of the dislocation twist structure due to the bending strain. It becomes.
[0114]
In addition, in this embodiment, although each shape-keeping tape 40A-40C, 45 employ | adopted the structure which sticks and fixes to another part of itself or another shape-keeping tape via an adhesive, Instead, an adhesive may be used. Further, it goes without saying that the same action and effect can be obtained even if the tape itself is fused without interposing an adhesive or the like.
[0115]
In the above description, the example of the configuration in which the binding portions 60 and 61 are provided in each dislocation transition portion 51 and each non-dislocation transition portion 52 is described in detail. However, according to the dislocation transition length and the like, It is good also as a structure which provides the some binding part 60 and 61 in the part 51 and each non-dislocation transition part 52. FIG.
[0116]
That is, as described above as a feature of the dislocation segment according to the present invention, a plurality of tape-like strands are twisted together, and each dislocation transition portion is shape-retained at a plurality of locations by a shape-retaining tape that binds these. In the dislocation segment
The radius from the center of the cylindrical body used to wind the dislocation segment to the neutral axis of the dislocation segment is r, the interval at which the shape-retaining tape is provided is l, the thickness of the tape-shaped strand is t, and the dislocation When the number of twisted strands is defined as n, the length of the dislocation transition portion is defined as L, and a positive integer is defined as m,
When n = 4m
The interval l is (2π ² n ² trL) ^1/3 The above relational expression is
When n = 4m + 2,
The interval l is {2π ² (N ² +4) trL} ^1/3 The above relational expression is
By setting each to hold, the influence of the slack caused by the gap between the tape wires generated in the coil winding process can be remarkably suppressed.
[0117]
Therefore, by using the dislocation segment 10 having such a configuration, various superconducting application devices described later are manufactured, whereby excellent superconducting characteristics, that is, good characteristics in which AC loss during energization of AC current is reduced and drift is suppressed. It is possible to provide superconducting application equipment equipped with
[0118]
[Superconducting equipment]
Next, an embodiment of a superconducting application device using the dislocation segment according to the present invention described above will be described.
[0119]
(Superconducting cable)
FIG. 4 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting cable.
The superconducting cable 170 of the present embodiment has a structure in which drift is suppressed during energization of an alternating current, and a plurality of dislocation segments 10 are wound around a pipe-shaped former (tubing body) 177 in a spiral manner. The superconductor layer 184 is laminated, and an interlayer insulating layer 185 made of an insulating tape or the like is formed between the superconductor layers 184 and 184. Further, outside the superconducting cable 170, a semiconductor layer, an insulating layer, a protective layer, a heat insulating layer, an anticorrosive layer and the like (not shown) are formed and used as necessary.
[0120]
The former 177 is made of stainless steel or the like, and the surface thereof is subjected to an insulation process in order to suppress energization between the former 177 and the dislocation segment 10. The internal cavity is used as a flow path for a cooling medium such as liquid nitrogen so that the plurality of strands 20 constituting the dislocation segment 10 are cooled.
[0121]
(Superconducting magnet)
FIG. 5 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting magnet.
The superconducting magnet 290 of the present embodiment is obtained by winding the dislocation segment 10 around a winding frame 293 including a winding drum 291 and a pair of gutters 292. Then, the non-end portion 295a of the dislocation segment 10 is pulled out to the outside of the flange plate 292 through a notch-shaped passage hole 292a formed in the peripheral edge portion of the flange plate 292, and the dislocation segment 10 passing through the passage hole 292a. A front portion 295b of the drawer portion is covered with a reinforcing plate 297 fixed to the outer peripheral edge portion of the flange plate 292.
[0122]
(Superconducting transformer)
FIG. 6 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting transformer. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line DD ′ of FIG.
The superconducting transformer 300 according to this embodiment includes a bobbin 302 having a cylindrical winding drum 302a and the dislocation segment 10 wound in multiple layers from one axial end to the other end of the winding drum 302a of the bobbin 302. And a spacer 305 that separates the layers of the laminated dislocation segments 10.
[0123]
The bobbin 302 includes a winding drum 302a and flanges 302b and 302c provided at both ends thereof. The dislocation segment 10 is wound around the outer periphery of the winding drum 302a of the bobbin 302 in multiple layers.
[0124]
The spacer 305 is provided to separate the layers of the laminated dislocation segments 10 so that the dislocation segments 10 are efficiently cooled by the refrigerant, and the longitudinal direction thereof is along the bobbin axial direction. A plurality of bobbins 102 are provided at intervals in the circumferential direction.
[0125]
In addition, the interval between each layer of the dislocation segment 10 and the interval between the dislocation segment 10 and the flanges 302b and 302c serve as a cooling channel 304 serving as a refrigerant flow path. When the superconducting transformer 300 is used, the superconducting transformer 300 can be cooled by being immersed in a refrigerant such as liquid helium in order to maintain the superconducting state of the dislocation segment 10.
[0126]
The above superconducting cable 170, superconducting magnet 290, and superconducting transformer 300 can maintain the dislocation twist structure well, and remarkably suppress the influence of the slack caused by the gap between the tape wires in the coil winding process. Since it is configured using the dislocation segment 10 according to the present invention, it has excellent superconducting characteristics, that is, having good characteristics in which AC loss during energization of AC current is reduced and drift is suppressed. Become.
[0127]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a plurality of tape-like strands are twisted by dislocations, and each dislocation transition portion is retained at a plurality of positions by a shape-retaining tape that binds the dislocation transition portions. In the segment, the interval l between the shape-retaining tapes that bind each dislocation crossing portion is set so that a specific relational expression is established according to the number n of strands twisted by dislocations. It is possible to provide a dislocation segment that can suppress the deterioration of the superconducting characteristics due to the influence of the slack caused by the gap between the tape wires generated in step 1.
[0128]
Further, the dislocation segment having the above-described configuration contributes to the provision of various superconducting applications having excellent superconducting characteristics, that is, having excellent characteristics in which alternating current loss during AC current application is reduced and drift is suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a dislocation segment according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the dislocation segment shown in FIG.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a tape wire floating height (slack height: y) and an applied strain amount (ε).
FIG. 4 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting cable according to the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting magnet according to the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting transformer according to the present invention.
7 is a cross-sectional view of the superconducting transformer shown in FIG.
FIG. 8 is a perspective view showing an embodiment of a conventional dislocation segment.
FIG. 9 is a diagram for explaining a problem of a conventional dislocation segment.
10A and 10B are views showing another embodiment of a conventional dislocation segment, in which FIG. 10A is a perspective view and FIG. 10B is a cross-sectional view.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the looseness of the strands when the dislocation segment is wound around a drum having a certain bending diameter.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a deviation between a neutral axis of a dislocation segment and a strand.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a model of a dislocation segment used for verifying a shift.
[Explanation of symbols]
10 dislocation segments, 20 strands, 20s metal substrate, 20t intermediate layer, 20r high-temperature superconducting material, 21 superconducting strands, 40, 40a to 40c shape-retaining tape, 51 dislocation transition portion, 52 non-dislocation transition portion, 60 binding portion 170 Superconducting cable (superconducting application equipment), 290 Superconducting magnet (superconducting application equipment), 300 Superconducting transformer (superconducting application equipment).

Claims (4)

In dislocation segments that are formed by twisting dislocation strands of tape-shaped strands, and each dislocation transition part is retained at multiple locations by a shape-retaining tape that binds this,
The radius from the center of the cylindrical body used to wind the dislocation segment to the neutral axis of the dislocation segment is r, the interval at which the shape-retaining tape is provided is l, the thickness of the tape-shaped strand is t, and the dislocation When the number of twisted strands is defined as n, the length of the dislocation transition portion is defined as L, and a positive integer is defined as m,
When n = 4m
The interval l is (2π ² n ² trL) ^1/3 or more,
When n = 4m + 2,
The interval l is {2π ² (n ² +4) trL} ^1/3 or more.
Dislocation segment characterized by that. 2. The dislocation segment according to claim 1, wherein the strand includes a superconducting layer on a metal substrate. The dislocation segment according to claim 2, wherein the superconducting layer is made of an oxide superconductor. A superconducting application device using the dislocation segment according to claim 1.

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