JP4313597B2

JP4313597B2 - Dislocation segment and superconducting equipment

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Publication number: JP4313597B2
Application number: JP2003101969A
Authority: JP
Inventors: 知史鈴木; 謙次後藤; 隆斉藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-04-04
Also published as: JP2004311172A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数本の素線を転位撚り合わせてなる転位セグメント及び超電導応用機器に係る。より詳細には機械的に脆い材料からなる素線を用いて転位セグメントを製造する際に、撚り合わせた状態にある素線に加わる曲げ歪を小さく抑えることが可能な、転位セグメント及び超電導応用機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導ケーブルに交流電流を通電した特の偏流を抑制する方法として、テープ状の超電導体からなる素線を複数本、転位撚り合わせてなる、転位超電導テープユニットと呼ばれる転位撚線構造（以下、転位セグメントと略称する）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２０３９５８号公報
【０００４】
図１０は従来の転位セグメントを示す一例であり、図１０（ａ）は斜視図、図１０（ｂ）はＹ−Ｙ’部分の断面図である。図１０に示すように、例えば複数本のテープ状の素線８１０を転位撚り合わせした転位セグメント８０は、特定の素線８１０が、隣接する他の素線８１０の上に向かって渡る転位部（以下、転位渡り部と呼ぶ）８２０を形成している。例えば素線８１０が柔軟性に富んだ例えば金属材料で構成される場合には、素線８１０の幅を例えば２ｍｍ程度とすれば、転位渡り部８２０の長さを１００ｍｍ程度に設定することができる。
【０００５】
また、上記構成からなる転位セグメント８０では、その構造を保持させるために、隣り合う転位渡り部８２０、８２０間（非転位渡り部８３０）の所定箇所が、保形テープ８４０によって結束されている。保形テープ８４０は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素線８１０に貼着固定されている。
【０００６】
図１０から明らかなように、上記構成からなる転位セグメント８０では、素線８１０は非転位渡り部８３０においてのみ、保形テープ８４０により結束されている。したがって、例えば転位渡り部８２０において撚りが加えられた状態にあるテープ状の素線８１０は、特に幅が広いテープ状線材などの場合に、その幅方向に大きな歪み（エッジワイズ歪）を受けることになる。
【０００７】
このように大きなエッジワイズ歪が内在してしまう構成の転位セグメントであれば、素線が例えば酸化物超電導材料のように脆い性質を有する材料からなる場合、このエッジワイズ歪は、線材特性に対して致命的な劣化を引き起こす恐れがあり、電気伝導特性を大きく阻害する要因となる。
【０００８】
したがって、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、エッジワイズ歪の小さな構造を備えてなる転位セグメントの開発が期待されていた。
【０００９】
【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、転位渡り部において転位撚り合わせ状態にある素線に発生するエッジワイズ歪を低下させることが可能な、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。
【００１０】
【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る転位セグメントにおいて、前記転位セグメントを構成する非転位渡り部にはこれ結束する第一の保形用テープが、転位渡り部にはこれを結束する第二の保形用テープが配されており、前記転位渡り部の長さをＬ１、前記第一の保形用テープの幅方向端部から計測して前記第二の保形用テープの幅方向中央部までの長さをＬ２としたとき、０．２５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４０であることを特徴としている。
【００１１】
すなわち、上記転位セグメントは、テープ状の素線を複数本、転位撚り合わせてなる構成を採用しているので、全体として一体化され、外部から力が加わった際にもその形状を維持する能力を備えることができる。
【００１２】
また、本発明に係る転位セグメントを構成する非転位渡り部には、これを結束する第一の保形用テープが配されている。非転位渡り部は、複数本の素線が重なねられ積層体が２列その幅方向に並列をなす構造をなしている。このような構造の非転位渡り部を第一の保形用テープで結束することにより、転位セグメントは非転位渡り部が設けられる所定の間隔ごとに固定されることとなり、その結果、転位セグメントの形態が保たれる。
【００１３】
さらに、本発明に係る転位セグメントを構成する転位渡り部には、これを結束する第二の保形用テープが配されている。転位渡り部は、複数本の素線が重なねられ積層体が２列その幅方向に並列をなす部分と、その左右に位置する積層体の上面あるいは下面の上を、一本の素線が一方の積層体側から他方の積層体側に転位撚られる構造をなしている。このような構造の転位渡り部を第二の保形用テープで結束することにより、転位セグメントは転位渡り部が設けられる所定の間隔ごとに固定されることとなり、その結果、転位セグメントの形態が保たれる。
【００１４】
特に、本発明に係る第二の保形用テープは、前記転位渡り部の長さをＬ１、前記第一の保形用テープの幅方向端部から計測して前記第二の保形用テープの幅方向中央部までの長さをＬ２としたとき、０．２５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４０とした関係が成り立つように設けられる。
【００１５】
第二の保形用テープをＬ２をＬ１で除した値が０．２５以上０．４０以下となるように配置することで、転位渡り部の素線をその幅方向に移動させ、第二の保形用テープで固定することにより、前記転位渡り部において撚りが加えられた状態にあるテープ状の素線がその幅方向に受ける歪み（エッジワイズ歪）を大幅に軽減することが可能となる。
【００１６】
さらに、前述した転位渡り部を結束するために、上記第二の保形テープに加えて第三の保形用テープを設けてもよい。このような第三の保形用テープを設けることにより、転位渡り部に生じるエッジワイズ歪をさらに抑制できる。第三の保形用テープを設ける数には特に制限はない。
【００１７】
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。本発明に係る転位セグメントでは、非転位渡り部にはこれを結束する第一の保形用テープを、転位渡り部にはこれを結束する第二の保形テープを、少なくとも設けているので、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。本発明に係る転位セグメントにおいては、上記金属基材を用いることができるので、蒸着等の薄膜形成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が容易だからである。
【００２０】
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。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明に係る転位セグメントの一実施形態を図１〜図２の図面に基づいて説明する。
【００２２】
＜転位セグメント＞
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。本実施形態の転位セグメント１０は、図１に示すように、テープ状の素線２０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。
【００２３】
テープ状の素線２０に超電導体を用いる場合は、ハステロイなどの金属基材にＹＳＺのような中間層、ＹＢＣＯのような超電導体を成膜したもの、Ｂｉ系の多芯フィラメント・銀シース線材を圧延加工してテープ状としたもの、あるいはＮｂ_３Ｓｎ、Ｎｂ_３Ａｌのような金属系超電導体をテープ状に加工したものなどが用いられる。
【００２４】
この転位セグメント１０を構成する非転位渡り部５２にはこれを結束する第一の保形用テープ４５が、転位渡り部５１にはこれを結束する第二の保形用テープ４０がそれぞれ配されている。
【００２５】
（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本の第一の保形用テープ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。その際、非転位渡り部５２は、転位渡り部５１が始まるキワまで、第一の保形用テープ４５によって結束された状態が好ましい。
【００２６】
（２）転位渡り部５１
図２は、図１の転位セグメントにおけるＡ−Ａ’部分の断面図であり、（ａ）は第二の保形用テープ４０を設ける前の状態、（ｂ）は第二の保形用テープ４０を設けた後の状態を示している。以下では、図２を参照して転位渡り部５１の結束部６０について述べる。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、転位渡り部５１の結束部６０は、第二の保形用テープ４０を設ける前には、全ての素線２０に対する外からの締め付けは一切なく、フリーな状態にあった。
【００２８】
素線２０の幅をＷとすると、例えば図２（ａ）の場合は、素線２０Ｄの幅方向の中心と、撚りが加えられた状態にある素線２０Ａの幅方向の中心との距離は５／３２Ｗという関係にあった。
【００２９】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す状態にある転位渡り部５１に、第二の保形用テープ４０を設けた場合を示す断面図である。図２（ｂ）に示すように、第二の保形用テープ４０を設けることにより、例えば素線２０Ｄの幅方向の中心と、撚りが加えられた状態にある素線２０Ａの幅方向の中心との距離は、５／３２Ｗから３／２２Ｗに狭めることができる。
【００３０】
ここで、Ｗは個々の素線の幅であり、Ｗ’は第二の保形用テープで包まれた状態の素線の幅である。すなわちＷ’は、素線の幅Ｗに、第二の保形用テープの厚さの２倍を加えたものである。但し、第二の保形用テープの厚さは、素線の幅Ｗに比べて十分に小さいので、Ｗ≒Ｗ’として構わない。
【００３１】
図２（ｂ）のように、第二の保形用テープ４０を用いることで、撚りが加えられた状態にある素線２０Ａの位置を制御することにより、素線２０Ａがその幅方向に受ける歪み（エッジワイズ歪）を軽減することが可能となる。この作用・効果は、素線の幅が広いほど有効に働く。例えば幅が２ｍｍ程度の場合はエッジワイズ歪が顕在化しなかったが、幅が１０ｍｍ程度の場合にはこの作用により、撚りが加えられた状態にある素線２０Ａのエッジワイズ歪を著しく軽減させることが可能となる。
【００３２】
特に、転位渡り部５１の長さをＬ１、第一の保形用テープ４５の幅方向端部、すなわち非転位渡り部５２から転位渡り部５１が始まるキワから計測して第二の保形用テープ４０の幅方向中央部までの長さをＬ２としたとき、０．２５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４０なる関係が成立するように、第二の保形用テープ４０を設けることにより、素線２０Ａがその幅方向に受けるエッジワイズ歪を著しく低減できる。
【００３３】
図３は、Ｌ２／Ｌ１と、素線がその幅方向に受けるエッジワイズ歪の最大値λe(max)との関係を示すグラフである。
ここで、横軸のＬ２／Ｌ１とは、第一の保形用テープ４５の幅方向端部から計測して第二の保形用テープ４０の幅方向中央部までの長さＬ２を、転位渡り部５１の長さＬ１で除した値である。また、λe(max)とは、渡り素線を移動させて最大値が最も低くなるようにして、保形テープで固定した時のエッジワイズ歪の最大値である。
【００３４】
縦軸のλe(max)とは、所定のＬ２／Ｌ１という箇所に、第二の保形用テープ４０を設けた場合に素線２０Ａが受けるエッジワイズ歪を、第二の保形用テープ４０を設けない場合に素線２０Ａが受けるエッジワイズ歪で除した値である。
【００３５】
図３から明らかなように、エッジワイズ歪の最大値λe(max)は、Ｌ２／Ｌ１が０から０．２５の間ではかなり急激に減少し、０．２５以上になると減少傾向は小さくなり、０．７０前後の値で落ち着くことが分かった。
【００３６】
一方、図５から、０．４０〜０．５０になると、第二の保形用テープが素線を拘束する力が大きくなり、素線２０Ａを転位撚るために要する距離、すなわち転位渡り部の距離が長くなりすぎるので芳しくない。したがって、第二の保形用テープを設ける位置としては、Ｌ２／Ｌ１が０．２５以上０．４０以下の範囲が好ましい。渡り素線を移動させて最大歪を最も低くなるようにした時、すなわちＬ２／Ｌ１が０．２５〜０．４０の時、最大歪を２７％〜３２％も低下させることができ、エッジワイズ歪を大幅に緩和させることができる。
【００３７】
図４は、Ｌ２／Ｌ１と、転位渡り比率Ｓとの関係を示すグラフであり、第二の保形用テープを設けない場合で規格化したものである。
ここで、横軸のＬ２／Ｌ１は図３と同じ定義である。
【００３８】
縦軸の転位渡り比率Ｓとは、所定のＬ２／Ｌ１という箇所に、第二の保形用テープ４０を設けた場合に素線２０Ａがその幅方向に位置ずれした量を、第二の保形用テープ４０を設けない場合に素線２０Ａがその幅方向に位置ずれした量で除した値である。
【００３９】
図４から、転位渡り比率Ｓは、Ｌ２／Ｌ１が０．１０程度となるまでは微増傾向であるのに対して、Ｌ２／Ｌ１が０．１０を越えると急激な増加傾向に転じる。そして、Ｌ２／Ｌ１が０．３５〜０．３７５付近で極大をなす。次いで、Ｌ２／Ｌ１が０．４０を越えると急減することが確認された。
【００４０】
この結果から、Ｌ２／Ｌ１が０．２５以上０．４０以下の範囲にあれば、転位渡り比率Ｓを０．５以上に安定して保つことが可能となる。換言すると、Ｌ２／Ｌ１が０．２５〜０．４０であれば、エッジワイズ歪を低下させるための幅方向への移動量を大きく取れるので、テープ固定時の移動量の誤差が少なく、安定した結束ができる。なお、Ｌ２／Ｌ１が０．２５〜０．３５の間で示す傾斜角に比べて、０．４０を越えた際の傾斜角は急峻であることから、０．４０を越える領域では設計どおりの転位渡り比率Ｓを常に作り込むことは難しい。
【００４１】
図５は、Ｌ２／Ｌ１と、第二の保形用テープに加わる力Ｆとの関係を示すグラフであり、第二の保形用テープを設けない場合で規格化したものである。
ここで、横軸のＬ２／Ｌ１は図３と同じ定義である。
【００４２】
縦軸の第二の保形用テープに加わる力Ｆとは、所定のＬ２／Ｌ１という箇所に、第二の保形用テープ４０を設けた場合に素線２０Ａを結束する保形用テープ４０に加わる力を、第二の保形用テープ４０を設けない場合に素線２０Ａが有する反発力で除した値である。
【００４３】
図５から、第二の保形用テープに加わる力Ｆは、Ｌ２／Ｌ１が０．１０程度までは殆ど増えず、０．１０を越えると微増し始める。そして、Ｌ２／Ｌ１が０．２５付近からＦの増加傾向が強まり、特に０．４０を越えるとＦは３より大きくなり、さらに急激な上昇カーブを示すことが確認された。
【００４４】
なお、Ｆが３を越えると第二の保形用テープ４０で素線２０Ａを結束した後、長期間その状態を安定して保持することが極めて難しいことも判明した。したがって、第二の保形用テープに加わる力Ｆを３以下に抑えるためには、Ｌ２／Ｌ１を０．４０以下にすることが望ましいことが、図５から明らかになった。
【００４５】
上述したとおり、Ｌ２／Ｌ１の数値が０．２５以上０．４０以下となるように第二の保形用テープ４０を配置することにより、エッジワイズ歪の最大値λe(max)、転位渡り比率Ｓ、及び第二の保形用テープに加わる力Ｆを全て低位を保つことが可能となるなるので、内在するエッジワイズ歪が小さく、コイル巻をした際にもその転位撚り構造が崩れにくい転位セグメントが得られる。
【００４６】
すなわち、Ｌ２／Ｌ１の数値が０．２５以上０．４０以下となるように第二の保形用テープ４０を配置してなる転位セグメントであれば、該転位セグメントを構成する素線が例えば酸化物超電導材料のように脆い性質を有する材料からなる場合であっても、エッジワイズ歪が抑制されているので、線材特性に対して致命的な劣化が生じにくくなり、その結果、安定した電気伝導特性が確保される。
【００４７】
したがって、本発明によれば、電気ロスの発生が抑制され、ひいては破断の危険性が少なく、安定した電気伝導特性を維持することができ、高い長期信頼性を備えた転位セグメントの提供が可能となる。
【００４８】
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。
【００４９】
＜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。
【００５０】
［超電導ケーブル］
図６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４７０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）４７７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４８４が積層され、これら超電導体層４８４、４８４間に絶縁テープ等からなる層間絶縁層４８５が形成されたものである。また、超電導ケーブル４７０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。
【００５１】
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。
【００５２】
［超電導マグネット］
図７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５９０は、巻胴５９１と一対の鍔板５９２とを具備してなる巻枠５９３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５９５ａは鍔板５９２の周縁部に形成された切り欠き状の通過孔５９２ａを介して鍔板５９２の外部に引き出され、この通過孔５９２ａを通過する転位セグメント１０の引出部の手前部分５９５ｂが、鍔板５９２の外周縁部に固定された補強板５９７により覆われている。
【００５３】
［超電導変圧器］
図８は、超電導変圧器の一実施形態を示す斜視図である。図９は、図８のＢ−Ｂ’部分における断面図である。
本実施形態の超電導変圧器６００は、円筒型の巻胴６０２ａを備えたボビン６０２と、該ボビン６０２の巻胴６０２ａ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６０５とを備えたものである。
【００５４】
ボビン６０２は、巻胴６０２ａと、その両端に設けられたフランジ６０２ｂ、６０２ｃとからなるものであり、このボビン６０２の巻胴６０２ａ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。
【００５５】
スペーサ６０５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６０２の周方向に間隔をおいて複数設けられている。
【００５６】
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６０２ｂ、６０２ｃとの間隔は、冷媒の流路となる冷却チャンネル６０４とされている。そして、超電導変圧器６００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６００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。
【００５７】
以上、超電導ケーブル４７０、超電導マグネット５９０、超電導変圧器６００を例にとって説明した超電導応用機器は、転位渡り部において素線を結束する役目を担う第二の保形用テープを所定の関係、すなわち０．２５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４０という関係が成り立つように配した、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。
【００５８】
上述したように、本発明に係る転位セグメント１０はこの関係を採用したことにより、転位渡り部において撚りが加えられた状態にあるテープ状の素線がその幅方向に受ける歪み（エッジワイズ歪）を大幅に軽減することができた。
【００５９】
したがって、このようにエッジワイズ歪が低く抑えられた転位セグメント１０を用いて構成されているので、本発明に係る超電導応用機器は、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、良好な特性を有するものとなる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る転位セグメントでは、非転位渡り部において素線を結束する第一の保形用テープを設ける位置と転位渡り部において素線を結束する第二の保形用テープを設ける位置との相対的な関係を、０．２５≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４０という式を満たすようにした。このような関係を満たすことにより、転位渡り部において撚りが加えられた状態にあるテープ状の素線がその幅方向に受ける歪みを極めて小さな値に抑えることが可能となる。
【００６１】
したがって、本発明は、電気ロスが生じたり、あるいは破断が発生したりする恐れが少なく、安定した電気伝導特性を維持することが可能な転位セグメントの提供に寄与する。
【００６２】
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の転位セグメントにおけるＡ−Ａ’部分の断面図であり、第二の保形用テープ４０を設ける前の状態（ａ）と設けた後の状態（ｂ）を示す。
【図３】Ｌ２／Ｌ１と、素線がその幅方向に受けるエッジワイズ歪の最大値λe(max)との関係を示すグラフである。
【図４】Ｌ２／Ｌ１と、転位渡り比率Ｓとの関係を示すグラフである。
【図５】Ｌ２／Ｌ１と、第二の保形用テープに加わる力Ｆとの関係を示すグラフである。
【図６】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７】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８】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９】図６に示した超電導変圧器の断面図である。
【図１０】従来の転位セグメントの実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１０転位セグメント、２０素線、４０第二の保形用テープ、４５第一の保形用テープ、５１転位渡り部、５２非転位渡り部、６０、６１結束部、８０転位セグメント、４７０超電導ケーブル（超電導応用機器）、５９０超電導マグネット（超電導応用機器）、６００超電導変圧器（超電導応用機器）、８１０素線、８４０保形用テープ、８２０転位渡り部、８３０非転位渡り部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dislocation segment formed by twisting a plurality of strands into dislocations and a superconducting application device. More specifically, when manufacturing a dislocation segment using a strand made of a mechanically brittle material, a dislocation segment and a superconducting application device capable of minimizing bending strain applied to the strand in a twisted state. About.
[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
FIG. 10 shows an example of a conventional dislocation segment. FIG. 10 (a) is a perspective view, and FIG. 10 (b) is a cross-sectional view of a YY ′ portion. As shown in FIG. 10, for example, a dislocation segment 80 in which a plurality of tape-shaped strands 810 are twisted by dislocations has a dislocation portion in which a specific strand 810 crosses over another adjacent strand 810 ( (Hereinafter referred to as a dislocation crossing portion) 820. For example, when the strand 810 is made of a flexible metal material, for example, if the strand 810 has a width of about 2 mm, for example, the length of the dislocation transition portion 820 can be set to about 100 mm. .
[0005]
Further, in the dislocation segment 80 having the above-described configuration, a predetermined portion between adjacent dislocation transition portions 820 and 820 (non-dislocation transition portion 830) is bound by a shape retaining tape 840 in order to maintain the structure. The shape-retaining tape 840 is one in which an adhesive is applied to one entire surface, and is adhered and fixed to the wire 810 via this adhesive.
[0006]
As is apparent from FIG. 10, in the dislocation segment 80 having the above-described configuration, the strands 810 are bound by the shape retaining tape 840 only at the non-dislocation transition portion 830. Therefore, for example, in the case of a tape-shaped wire 810 that is twisted at the dislocation transition portion 820, particularly in the case of a tape-shaped wire having a wide width, the tape-shaped wire 810 receives a large strain (edgewise strain) in the width direction. become.
[0007]
In the case of a dislocation segment having such a large edgewise strain, when the strand is made of a material having brittle properties such as an oxide superconducting material, this edgewise strain is May cause fatal deterioration, and will greatly hinder the electrical conduction characteristics.
[0008]
Therefore, there is a risk of electrical loss or even breakage. Therefore, from the aspect of maintaining stable electrical conduction characteristics and establishing high long-term reliability, a dislocation having a structure with small edgewise strain is provided. Segment development was expected.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a dislocation segment and a superconducting application device capable of reducing edgewise distortion generated in a strand in a dislocation-twisted state at a dislocation transition portion. Objective.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The dislocation segment according to the present invention is a dislocation segment formed by twisting dislocation strands of a plurality of tape-shaped strands, and the first shape-retaining tape that binds to the non-dislocation transition portion that constitutes the dislocation segment, A second shape-retaining tape that binds the dislocation transition portion is disposed, and the length of the dislocation transition portion is L1, measured from the widthwise end of the first shape retention tape, and When the length to the center in the width direction of the second shape-retaining tape is L2, 0.25 ≦ L2 / L1 ≦ 0.40.
[0011]
In other words, the dislocation segment employs a configuration in which a plurality of tape-like strands are twisted together, so that it is integrated as a whole and has the ability to maintain its shape even when external force is applied. Can be provided.
[0012]
In addition, a first shape retaining tape for binding the dislocation segments constituting the dislocation segment according to the present invention is disposed. The non-dislocation transition portion has a structure in which a plurality of strands are overlapped and two stacked bodies are arranged in parallel in the width direction. By binding the non-dislocation transition portion having such a structure with the first shape retaining tape, the dislocation segment is fixed at a predetermined interval at which the non-dislocation transition portion is provided. The form is preserved.
[0013]
Furthermore, a second shape-retaining tape that binds the dislocation transition portions constituting the dislocation segment according to the present invention is disposed. The dislocation crossing part consists of a single strand of two or more layers of wires stacked in parallel in the width direction and on the upper or lower surface of the laminate positioned on the left and right Has a structure in which dislocation twist is performed from one laminated body side to the other laminated body side. By bundling the dislocation transition part having such a structure with the second shape-retaining tape, the dislocation segment is fixed at a predetermined interval at which the dislocation transition part is provided. Kept.
[0014]
In particular, the second shape retaining tape according to the present invention is characterized in that the length of the dislocation transition portion is L1, and the second shape retaining tape is measured from the end in the width direction of the first shape retaining tape. When the length to the center in the width direction is L2, the relationship of 0.25 ≦ L2 / L1 ≦ 0.40 is established.
[0015]
By disposing the second shape-retaining tape so that the value obtained by dividing L2 by L1 is not less than 0.25 and not more than 0.40, the strands of the dislocation transition portion are moved in the width direction, and the second By fixing with a shape-retaining tape, it is possible to significantly reduce the strain (edgewise strain) that the tape-shaped strands in the twisted state at the dislocation transition portion receive in the width direction. .
[0016]
Further, a third shape retaining tape may be provided in addition to the second shape retaining tape in order to bind the above-described dislocation transition portions. By providing such a third shape retaining tape, it is possible to further suppress edgewise distortion that occurs at the dislocation transition portion. There is no particular limitation on the number of the third shape-retaining tapes.
[0017]
In the present invention, as the element wire, a metal substrate provided with a superconducting layer can be used. In the dislocation segment according to the present invention, since the first shape retaining tape for binding the non-dislocation transition portion is provided with at least the second shape retaining tape for binding the dislocation transition portion, at least, There is no need to dare to select a material having an appropriate flexibility for the substrate as in the prior art.
[0018]
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.
[0019]
In addition, as the superconducting layer according to the present invention, a layer made of an oxide superconductor can be used. In the dislocation segment 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 by using a thin film forming technique such as vapor deposition. That's why.
[0020]
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.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Below, one Embodiment of the dislocation segment based on this invention is described based on drawing of FIGS. 1-2.
[0022]
<Dislocation segment>
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a dislocation segment according to the present invention. As shown in FIG. 1, the dislocation segment 10 according to the present embodiment is a long belt-shaped element formed by twisting a plurality of tape-like strands 20 (six in the drawing) and dislocation twisting.
[0023]
When a superconductor is used for the tape-shaped element wire 20, an intermediate layer such as YSZ and a superconductor such as YBCO are formed on a metal substrate such as Hastelloy, Bi-based multifilament filament / silver sheath wire Are formed into a tape shape, or a metal superconductor such as Nb ₃ Sn or Nb ₃ Al is processed into a tape shape.
[0024]
A first shape retaining tape 45 for binding the dislocation transition portion 10 and a second shape retaining tape 40 for binding the first shape retaining tape 45 are disposed on the dislocation transition portion 51, respectively. ing.
[0025]
(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 turn around all the superconducting tapes 20 constituting the non-dislocation transition portion 52. The shape-retaining tape 45 is bundled, but the end portion on the winding end side is stuck and fixed to the other part of the shape-retaining tape 45 via an adhesive, and the shape-retaining tape 45 and the superconducting tape 20 Is provided so that it is not attached. At that time, the non-dislocation transition part 52 is preferably in a state of being bound by the first shape-retaining tape 45 up to the start of the dislocation transition part 51.
[0026]
(2) Dislocation crossover 51
2 is a cross-sectional view of the AA ′ portion in the dislocation segment of FIG. 1, where (a) is a state before the second shape-retaining tape 40 is provided, and (b) is the second shape-retaining tape. The state after providing 40 is shown. Hereinafter, the bundling portion 60 of the dislocation crossing portion 51 will be described with reference to FIG.
[0027]
As shown in FIG. 2 (a), before the second shape retaining tape 40 is provided, the bundling portion 60 of the dislocation crossover portion 51 is free from any tightening from the outside to all the strands 20. Was in a state.
[0028]
When the width of the strand 20 is W, for example, in the case of FIG. 2A, the distance between the center in the width direction of the strand 20D and the center in the width direction of the strand 20A in a twisted state is The relationship was 5 / 32W.
[0029]
FIG. 2B is a cross-sectional view showing a case where the second shape-retaining tape 40 is provided in the dislocation transition portion 51 in the state shown in FIG. As shown in FIG. 2B, by providing the second shape retaining tape 40, for example, the center in the width direction of the strand 20D and the center in the width direction of the strand 20A in a twisted state. Can be reduced from 5 / 32W to 3 / 22W.
[0030]
Here, W is the width of each strand, and W ′ is the width of the strand wrapped with the second shape-retaining tape. That is, W ′ is obtained by adding twice the thickness of the second shape retaining tape to the width W of the strand. However, since the thickness of the second shape-retaining tape is sufficiently smaller than the width W of the strand, W≈W ′ may be set.
[0031]
As shown in FIG. 2B, by using the second shape retaining tape 40, the position of the strand 20A in a twisted state is controlled, so that the strand 20A is received in the width direction. Distortion (edgewise distortion) can be reduced. This action / effect works more effectively as the wire width increases. For example, when the width is about 2 mm, the edgewise distortion did not become apparent, but when the width is about 10 mm, this action significantly reduces the edgewise distortion of the strand 20A in a twisted state. Is possible.
[0032]
In particular, the length of the dislocation transition portion 51 is L1, the width direction end of the first shape-retaining tape 45, that is, the wrinkle where the dislocation transition portion 51 starts from the non-dislocation transition portion 52, is used for the second shape retention. By providing the second shape-retaining tape 40 so that the relationship of 0.25 ≦ L2 / L1 ≦ 0.40 is established, where L2 is the length to the center in the width direction of the tape 40, The edgewise distortion that the line 20A receives in the width direction can be remarkably reduced.
[0033]
FIG. 3 is a graph showing a relationship between L2 / L1 and the maximum value λe (max) of the edgewise distortion that the strand receives in the width direction.
Here, L2 / L1 on the horizontal axis means the length L2 from the end in the width direction of the first shape-retaining tape 45 to the center in the width direction of the second shape-retaining tape 40. It is a value divided by the length L1 of the crossover part 51. Further, λe (max) is the maximum value of edgewise distortion when the jumper wire is moved so that the maximum value becomes the lowest and fixed with the shape-retaining tape.
[0034]
Λe (max) on the vertical axis represents the edge-wise distortion that the strand 20A receives when the second shape-retaining tape 40 is provided at a predetermined position L2 / L1, and the second shape-retaining tape 40 Is a value divided by the edgewise distortion that the strand 20A receives.
[0035]
As is clear from FIG. 3, the edgewise distortion maximum value λe (max) decreases considerably rapidly when L2 / L1 is between 0 and 0.25, and the decreasing tendency becomes smaller when 0.25 or more. It was found that the value settled around 0.70.
[0036]
On the other hand, when it becomes 0.40-0.50 from FIG. 5, the force which the 2nd shape-retaining tape restrains a strand becomes large, and the distance required in order to carry out dislocation twist of strand 20A, ie, a dislocation transition part The distance is too long, so it ’s not good. Therefore, the position where the second shape-retaining tape is provided is preferably such that L2 / L1 is in the range of 0.25 to 0.40. When the transition wire is moved so that the maximum strain becomes the lowest, that is, when L2 / L1 is 0.25 to 0.40, the maximum strain can be reduced by 27% to 32%, and edgewise Distortion can be greatly relieved.
[0037]
FIG. 4 is a graph showing the relationship between L2 / L1 and the dislocation transition ratio S, which is normalized when no second shape-retaining tape is provided.
Here, L2 / L1 on the horizontal axis has the same definition as in FIG.
[0038]
The dislocation transition ratio S on the vertical axis indicates the amount of displacement of the strand 20A in the width direction when the second shape retaining tape 40 is provided at a predetermined location L2 / L1. When the forming tape 40 is not provided, the value is obtained by dividing the strand 20A by the amount of displacement in the width direction.
[0039]
From FIG. 4, the dislocation transition ratio S tends to increase slightly until L2 / L1 reaches about 0.10, but when L2 / L1 exceeds 0.10, the dislocation transition ratio S starts to increase rapidly. And L2 / L1 makes a maximum in the vicinity of 0.35 to 0.375. Next, it was confirmed that when L2 / L1 exceeds 0.40, it rapidly decreases.
[0040]
From this result, when L2 / L1 is in the range of 0.25 to 0.40, the dislocation transition ratio S can be stably maintained at 0.5 or more. In other words, if L2 / L1 is 0.25 to 0.40, a large amount of movement in the width direction for reducing edgewise distortion can be obtained, so that there is little error in the amount of movement when fixing the tape, and it is stable. Can unite. In addition, since the inclination angle when exceeding 0.40 is steep compared with the inclination angle indicated by L2 / L1 between 0.25 and 0.35, the region exceeding 0.40 is as designed. It is difficult to always make the dislocation transition ratio S.
[0041]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between L2 / L1 and the force F applied to the second shape-retaining tape, and is normalized when no second shape-retaining tape is provided.
Here, L2 / L1 on the horizontal axis has the same definition as in FIG.
[0042]
The force F applied to the second shape-retaining tape on the vertical axis is the shape-retaining tape 40 that binds the strands 20A when the second shape-retaining tape 40 is provided at a predetermined L2 / L1 location. Is a value obtained by dividing the force applied to the rebound force of the strand 20A when the second shape-retaining tape 40 is not provided.
[0043]
From FIG. 5, the force F applied to the second shape-retaining tape hardly increases until L2 / L1 is about 0.10, and starts to increase slightly when it exceeds 0.10. Then, it was confirmed that the tendency of increasing F increased from L2 / L1 around 0.25, and in particular, when it exceeded 0.40, F was larger than 3 and showed a more rapid ascending curve.
[0044]
It has also been found that when F exceeds 3, it is extremely difficult to stably hold the wire 20A for a long time after binding the strands 20A with the second shape-retaining tape 40. Therefore, in order to suppress the force F applied to the second shape-retaining tape to 3 or less, it has become clear from FIG. 5 that it is desirable to set L2 / L1 to 0.40 or less.
[0045]
As described above, by arranging the second shape-retaining tape 40 so that the value of L2 / L1 is not less than 0.25 and not more than 0.40, the edgewise distortion maximum value λe (max) and the dislocation transition ratio S and the force F applied to the second shape-retaining tape can all be kept low, so that the inherent edgewise distortion is small, and the dislocation twist structure is not easily broken even when coiled. A segment is obtained.
[0046]
That is, in the case of a dislocation segment in which the second shape-retaining tape 40 is disposed so that the numerical value of L2 / L1 is not less than 0.25 and not more than 0.40, the strands constituting the dislocation segment are, for example, oxidized Even when it is made of a material having brittle properties such as superconducting materials, edgewise strain is suppressed, so that fatal deterioration of the wire properties is less likely to occur, and as a result, stable electrical conduction Characteristics are ensured.
[0047]
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a dislocation segment with high long-term reliability, in which the occurrence of electrical loss is suppressed, and thus there is little risk of breakage, stable electrical conduction characteristics can be maintained. Become.
[0048]
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.
[0049]
<Superconducting equipment>
Next, an embodiment of a superconducting application device using the dislocation segment according to the present invention described above will be described.
[0050]
[Superconducting cable]
FIG. 6 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting cable.
The superconducting cable 470 of the present embodiment has a structure in which drift is suppressed during energization of an alternating current, and a plurality of the above dislocation segments 10 are spirally wound around a pipe-shaped former (tube body) 477. The superconductor layer 484 is laminated, and an interlayer insulating layer 485 made of an insulating tape or the like is formed between the superconductor layers 484 and 484. Further, outside the superconducting cable 470, 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.
[0051]
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.
[0052]
[Superconducting magnet]
FIG. 7 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting magnet.
The superconducting magnet 590 of the present embodiment is obtained by winding the above dislocation segment 10 around a winding frame 593 including a winding drum 591 and a pair of flange plates 592. Then, the non-end portion 595a of the dislocation segment 10 is pulled out to the outside of the flange plate 592 through a notch-shaped passage hole 592a formed in the peripheral portion of the flange plate 592, and the dislocation segment 10 passing through the passage hole 592a. A front portion 595b of the drawer portion is covered with a reinforcing plate 597 fixed to the outer peripheral edge portion of the flange plate 592.
[0053]
[Superconducting transformer]
FIG. 8 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting transformer. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG.
The superconducting transformer 600 of the present embodiment includes a bobbin 602 having a cylindrical winding drum 602a and the dislocation segment 10 wound in multiple layers from one axial end to the other end of the winding drum 602a of the bobbin 602. And a spacer 605 that separates the layers of the laminated dislocation segment 10 from each other.
[0054]
The bobbin 602 includes a winding drum 602a and flanges 602b and 602c provided at both ends thereof. The dislocation segment 10 is wound around the outer periphery of the winding drum 602a of the bobbin 602 in multiple layers.
[0055]
The spacer 605 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 602 are provided at intervals in the circumferential direction.
[0056]
In addition, the interval between each layer of the dislocation segment 10 and the interval between the dislocation segment 10 and the flanges 602b and 602c are a cooling channel 604 serving as a refrigerant flow path. When the superconducting transformer 600 is used, the superconducting transformer 600 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.
[0057]
As described above, the superconducting application device described by taking the superconducting cable 470, the superconducting magnet 590, and the superconducting transformer 600 as an example has the second shape-retaining tape that plays the role of binding the strands at the dislocation transition portion with a predetermined relationship, that is, 0. The dislocation segment 10 according to the present invention is arranged so that the relationship of .25 ≦ L2 / L1 ≦ 0.40 is established.
[0058]
As described above, by adopting this relationship, the dislocation segment 10 according to the present invention is subjected to strain (edgewise strain) that the tape-like element wire in a state where twist is applied at the dislocation transition portion in the width direction. Could be greatly reduced.
[0059]
Therefore, since it is configured by using the dislocation segment 10 in which the edgewise distortion is suppressed as described above, the superconducting application device according to the present invention has excellent superconducting characteristics, that is, an AC loss when an AC current is applied is reduced. Therefore, the drift is suppressed and the film has good characteristics.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, in the dislocation segment according to the present invention, the position for providing the first shape retaining tape for binding the strands in the non-dislocation transition portion and the second shape retention for binding the strands in the dislocation transition portion. The relative relationship with the position where the tape was provided was made to satisfy the formula 0.25 ≦ L2 / L1 ≦ 0.40. By satisfying such a relationship, it is possible to suppress the distortion that the tape-like element wire in the state where the twist is applied at the dislocation transition portion in the width direction, to an extremely small value.
[0061]
Therefore, the present invention contributes to the provision of a dislocation segment that is less likely to cause an electrical loss or breakage and can maintain stable electrical conduction characteristics.
[0062]
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.
2 is a cross-sectional view of the AA ′ portion in the dislocation segment of FIG. 1, showing a state before the second shape retaining tape 40 is provided (a) and a state after the provision (b).
FIG. 3 is a graph showing the relationship between L2 / L1 and the maximum value λe (max) of edgewise strain that the strand receives in the width direction;
FIG. 4 is a graph showing the relationship between L2 / L1 and the dislocation transition ratio S.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between L2 / L1 and the force F applied to the second shape-retaining tape.
FIG. 6 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting cable according to the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting magnet according to the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing an embodiment of a superconducting transformer according to the present invention.
9 is a cross-sectional view of the superconducting transformer shown in FIG.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an embodiment of a conventional dislocation segment.
[Explanation of symbols]
10 dislocation segments, 20 strands, 40 second shape retaining tape, 45 first shape retaining tape, 51 dislocation transition, 52 non-dislocation transition, 60, 61 binding, 80 dislocation segment, 470 superconducting cable (Superconducting application equipment), 590 superconducting magnet (superconducting application equipment), 600 superconducting transformer (superconducting application equipment), 810 strand, 840 shape-retaining tape, 820 dislocation transition section, 830 non-dislocation transition section.

Claims

In dislocation segments formed by twisting dislocation strands of tape-shaped strands,
The non-dislocation transition part constituting the dislocation segment is provided with a first shape retaining tape for binding this, and the dislocation transition part is provided with a second shape retention tape for binding this,
When the length of the dislocation transition portion is L1, the length from the width direction end of the first shape-retaining tape to the width direction center portion of the second shape-retaining tape is L2, A dislocation segment, wherein 0.25 ≦ L2 / L1 ≦ 0.40.

The dislocation segment according to claim 1, wherein a third shape-retaining tape that binds the dislocation transition portion is provided in addition to the second shape-retaining tape.

2. The dislocation segment according to claim 1, wherein the strand includes a superconducting layer on a metal substrate.

4. The dislocation segment according to claim 3, wherein the superconducting layer is made of an oxide superconductor.

A superconducting application device using the dislocation segment according to any one of claims 1 to 4.