JP4566576B2 - 転位セグメント導体 - Google Patents

Description

本発明は、複数の超電導テープを転位撚り合わせてなる転位セグメント導体に係り、特に、高アスペクト比の超電導テープを用いて構成され、ドラムに巻いた場合でも超電導テープに加わる合成歪を超電導体の許容歪以下にできる転位セグメント導体に関する。この転位セグメント導体は、超電導ケーブル、超電導コイルなどの超電導応用機器などに利用される。

従来、交流電流通電時の偏流を抑制した超電導ケーブルとして、パイプ状のフォーマの周囲に、複数の超電導テープを転位撚り合わせた転位超電導テープユニットを螺旋状に巻回したものが知られている。各超電導テープは、シース材の内部に、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コア部を有する超電導多心素線が平坦化された超電導テープを主体として構成され、その表面に高抵抗化膜が形成されたものである（例えば、特許文献１参照。）。

この超電導テープとしては、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_ｘ（Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（Ｂｉ２２２３）等からなるコア部を有するＢｉ系線材が広く用いられている。特に転位セグメントでは、幅２ｍｍ以下、厚さ０．２ｍｍ以上のＢｉ系超電導テープが用いられている。しかし、Ｂｉ系超電導テープは臨界電流密度が低く、またシース材に銀を用いているために機械強度も弱い。そこで、Ｙ-Ｂａ-Ｃｕ-Ｏ系に代表されるようなＹ系超電導テープによって転位セグメントを作製し、この転位セグメントで超電導導体を作り、液体窒素温度で使用可能な超電導ケーブルに用いることが考えられている。
特開平１１−２０３９６１号公報 Y. Iijima et al, In:Advance in Superconductivity XI, Springer, Tokyo, pp785-788

現在主に作製されているＹ系超電導テープの基材は、ハステロイやステンレス鋼などの金属テープ上にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）中間層を積層したテープ、無配向のＮｉを表面酸化させたテープなどであり、この超電導テープの厚さは０．１ｍｍ以下である。なお、これらの基材テープのヤング率は１００ＧＰａ以上あり、剛性の高いものである。また、Ｙ系超電導材料の他にＨｏ系やＮｄ系などの希土類系超電導線材の使用も考えられる。

使用する超電導テープのアスペクト比が２０を超えた場合、テープ単線や転位セグメントをフォーマにスパイラル巻きし、その上から絶縁テープを巻くと、テープ線材は周方向にフォーマ径相当の曲げ径で曲げられ、大きな歪みを受ける。
本発明者の知見では、導体が直線状態の場合、図５のようにフォーマ周方向の歪と転位セグメント長手方向の歪を加味して、テープ幅Ｗ、テープ厚ｔ、転位渡り長Ｌ、フォーマ径ｄ、フォーマ周方向からの角度をθ、テープ線材長手方向からの角度をφとすると、この方向で超電導テープに加わる合成歪εは次式（Ａ）

となり、ここで次式（Ｂ）

が成立することが示されている。

しかしながら、超電導ケーブルは、実際には図４に示すように、直径１〜４ｍ程度のドラム８に巻かれた状態で輸送される。したがって、高性能な超電導ケーブルを作製するためには、ケーブルをドラムに巻いた場合に加わる歪の影響をケーブル設計時点で考慮する必要がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、ドラムに巻いた場合でも超電導テープに加わる合成歪を超電導体の許容歪以下にできる転位セグメント導体の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、超電導テープを複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメントをパイプ状のフォーマの周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、前記フォーマの直径をｄ［ｍｍ］、前記超電導テープの厚さをｔ［ｍｍ］、前記超電導テープの幅をＷ［ｍｍ］、前記転位セグメントの転位渡り長をＬ［ｍｍ］、前記転位セグメントのスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］、前記転位セグメント導体を巻き付けるドラムの半径をＲ［ｍｍ］、前記フォーマ周方向からの角度をθ、前記超電導テープ長手方向からの角度をφとすると、下記式（１）及び式（２）

の関係を満たす合成歪εが超電導テープ中の超電導体の許容歪以下であり、
超電導テープの厚さをｔ［ｍｍ］、超電導テープの幅をＷ［ｍｍ］、転位セグメントの転位渡り長をＬ［ｍｍ］、転位セグメントのスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］とすると、実験的経験として、後述する式（Ｃ）または式（Ｄ）の関係が成り立つことを特徴とする転位セグメント導体を提供する。

本発明の転位セグメント導体において、前記超電導テープの厚さｔに対する幅Ｗの比で表されるアスペクト比（Ｗ／ｔ）が２０以上であることが好ましい。

本発明の転位セグメント導体において、前記超電導テープが、一般式Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘで表される酸化物超電導材料を備えてなることが好ましい。

本発明の転位セグメント導体において、前記超電導テープの基材のヤング率が１００ＧＰａ以上であることが好ましい。

本発明の転位セグメント導体において、前記超電導テープの基材はステンレス鋼としてもよい。

アスペクト比の高い超電導テープを用いた転位セグメント導体において、テープ厚、テープ幅、転位渡り長、フォーマ径、スパイラルピッチを適切に設定することによって、この転位セグメント導体をドラムに巻くなど、転位セグメント導体に曲げを加えた場合でも、超電導テープに加わるフラットワイズ歪とエッジワイズ歪の合成歪を、超電導テープ中の超電導体の許容歪以下にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の転位セグメント導体の一実施形態を説明する。
図１及び図２は、本発明の転位セグメント導体の一実施例を示す図であり、図１は転位セグメント導体１の端部の斜視図、図２は縦断面図である。
この転位セグメント導体１は、超電導テープ２を複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメント３をパイプ状のフォーマ４の周囲に螺旋状に巻き付けて構成されている。

図３は転位セグメント３を示す斜視図であり、図３に示す通り、この転位セグメント３は、各超電導テープ２が、その長尺方向において順次その位置を代えて変位するように撚り合わされている。個々の超電導テープ２は、その長さ方向において転位セグメント３の表面側（外層側）に位置する領域と底面側（内層側）に位置する領域が交互に繰り返されるように配置されている。このような転位セグメント３の巻回方向は、Ｓ巻（右巻）の方向またはＺ巻（左巻）の方向となっている。この転位セグメント３のスパイラルピッチｓは、通常５０〜２０００ｍｍ程度である。

本明細書において、転位セグメント３のうち、特定の超電導テープ２が、隣接する他の超電導テープ２上を渡って転位する転位部を転位渡り部６と言い、隣り合う転位渡り部６間を非転位渡り部７と言う。
前記転位セグメント３では、非転位渡り部７の所定箇所が保形テープ５によって結束されており、超電導テープ２の転位撚りが崩れないように固定されている。前記保形テープ５は、ポリイミド樹脂などから構成され、一方の面全体に粘着剤が塗布されたもので、この粘着剤を介して超電導テープ２に貼着固定されている。
また、この転位セグメント３において、保形テープ５によって結束された部分は素線保形部とも言い、以下、隣接する素線保形部間の距離を転位渡り長Ｌと言う。

前記フォーマ４は、ステンレス鋼などからなるものである。このようなフォーマ４の表面は、フォーマ４と転位セグメント３間の通電を抑制するために絶縁処理が施されている。このフォーマ４の内部は、液体窒素等の冷却媒体の流路とされ、超電導テープ２の冷却を行うことができるようになっている。

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

前記超電導テープ２に用いられる酸化物超電導体としては、例えば、Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（ＹＢＣＯ）、Ｈｏ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ、Ｎｄ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘなどの希土類系の酸化物超電導材料、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_ｘ（Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ（Ｂｉ２２２３）、Ｂｉ_１．６Ｐｂ_０．４Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘなどのＢｉ系の酸化物超電導材料などが好ましく適用できる。

また、前記基材としては、ステンレス鋼，ハステロイ合金などの金属基材、表面にＮｉ酸化物層が形成されたＮｉ金属基材や、これら金属基材上に中間層としてイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が形成されたものなどが好ましく適用できる。
この基材のヤング率は１００ＧＰａ以上が好ましく、これにより剛性に優れ、破断し難い超電導テープ２が得られる。
特に本発明では、超電導テープ２としては、前記金属基材上にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）中間層を介してＹ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ（ＹＢＣＯ）が成膜されたものが好ましく、これにより、比較的高温度で高い臨界電流密度が得られる。

前記超電導テープ２の外周には、絶縁層が設けられている。この絶縁層を構成する絶縁材料としては、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリエステルイミドヒダントイン、エナメルなどが用いられる。このような絶縁層の厚みとしては、０．１〜１００μｍ程度の範囲のものとされる。

次に、図４及び図５を参照して、この転位セグメント導体１に加わる歪について説明する。
前述した通り、この転位セグメント３では、図３に示すように、各超電導テープ２が、その長手方向において順次その位置を代えて変位するように撚り合わされており、超電導テープ２には、エッジワイズ曲げによる長手方向の歪みが生じている（以下、エッジワイズ歪ε_ｅｄと言う）。
この転位セグメント導体１において、超電導テープ２の幅をＷ［ｍｍ］、転位セグメント３の転位渡り長をＬ［ｍｍ］とすると、複数本の超電導テープ２が転位撚り合わせられたことによって生じるエッジワイズ歪ε_ｅｄは、次式（３）
ε_ｅｄ＝３（Ｗ／Ｌ）^２ ・・・（３）
によって表される。

また、転位セグメント３は、フォーマ４に螺旋状に巻き付けられており、超電導テープ２は、フォーマ４の直径ｄ相当の曲げ径で曲げられ、フラットワイズ曲げによりフォーマ４の周方向に歪が生じている（以下、フラットワイズ歪と言う。）。
一般に、超電導テープ２のアスペクト比が２０以上の場合、超電導テープ２の幅をＷ［ｍｍ］、厚みｔを［ｍｍ］とすると、フラットワイズ歪ε_ｆｌの最大値は、以下の式（４）で表される。
ε_ｆｌ＝ｔ／（ｄ＋ｔ） ・・・（４）

超電導テープ２の厚さをｔ［ｍｍ］、超電導テープ２の幅をＷ［ｍｍ］、転位セグメント３の転位渡り長をＬ［ｍｍ］、転位セグメント３のスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］とすると、実験的経験として、次式（Ｃ）または式（Ｄ）

の関係が成り立てば、張力を加えて転位セグメント３をフォーマ４にスパイラル巻きした場合、転位渡り部６に浮き上がりが発生しない。
ここで、例えば幅Ｗ＝５．０ｍｍ、厚さｔ＝０．０８ｍｍの超電導テープ２を複数本、転位撚り合わせてなる転位渡り長Ｌ＝２５０ｍｍの転位セグメントの場合、エッジワイズ歪ε_ｅｄは０．１２％となる。またフォーマ４の直径ｄ＝２２ｍｍとすると、フラットワイズ歪ε_ｆｌは０．３６％となる。
さらに、例えば、スパイラルピッチｓ＝２５０ｍｍ、図５に示すフォーマ周方向からの角度をθ、超電導テープ長手方向からの角度をφとすると、θ＋φ＝７４．５°となり、角度θの変化により合成歪は図６のように変化する。

一方、Ｙ系超電導材料は、曲げ歪が０．４％を超えると特性が劣化することが報告されている（非特許文献１参照。）。従って、０．４％をＹ系超電導材料の許容歪とすると、θ＝６．８°のとき、最大値０．３７４％となり、この転位セグメント導体１が直線状態である時には、その超電導テープ２中の超電導体に加わる合成歪εは、許容歪（０．４％）以下である。

しかしながら、図４に示すように、運搬のために、あるいはコイルなどの超電導応用機器を作製するために、例えば半径１５００ｍｍのドラム８にこの転位セグメント導体１を巻き付けた場合、超電導テープ２の幅方向と長手方向の歪は、直線状態に対してそれぞれ図７と図８に示すように変化する。ただし、図７と図８の角度は、図９に示すように、模擬導体９を曲げ治具１０に沿わせて曲げ、この模擬導体９の各部に生じた歪を測定する際に、曲げ治具１０に対して、上向きの位置を０°、下向きの位置を１８０°としている。
図７及び図８の結果から、長手方向も幅方向も０°と１８０°の位置の場合、直線状態に比べて歪が最大±０．０５％程度変化している。
したがって、転位セグメント３の長手方向より角度θの方向の歪は、次式（５）
±０．０５ｃｏｓ^２θ±０．０５ｓｉｎ^２θ＝±０．０５％ ・・・（５）
となり、転位セグメント導体１を曲げ半径１５００ｍｍでドラムにスパイラル巻きした場合、０．０５％程度の歪が任意の方向に加わることになる。したがって、トータルの歪量は最大で０．４２％程度加わることになり、前記許容歪を超えてしまう。

本発明では、転位セグメント導体１をドラム８に巻き付けた状態であっても、前記式（１）で表される合成歪εが超電導テープ２中の超電導体の許容歪以下となるように、転位セグメント導体１の各パラメータを設定したことを特徴としている。
フォーマ４と転位セグメント３が一体化されている場合、転位セグメント導体１を半径Ｒで曲げると、歪量は最大で次式（Ｅ）

変化する。したがって、半径１５００ｍｍの曲げ径でフォーマ直径ｄ＝２２ｍｍの場合は、フォーマ４と転位セグメント３が一体化しているとすると、最大０．７３％歪量が変化する。したがって、転位セグメント導体１を曲げたときに超電導テープ２中の超電導体に新たに加わる歪量は、フォーマ４と転位セグメント３が一体化されている場合の１／１４程度である。他の曲げ径で転位セグメント導体１を曲げた場合も同様の結果が得られた。したがって、転位セグメント導体１をドラム８に巻く場合に加わる歪量を考慮すると、前記式（１）で表される合成歪εの最大値が、許容歪より小さくなるように各パラメータを設定すればよい。

例えば、図６に示す合成歪εが得られた転位セグメント導体１（超電導テープの幅５．０ｍｍ、厚さ０．０８ｍｍ、転位渡り長２５０ｍｍ、フォーマ直径２２ｍｍ）において、超電導テープの厚さを０．０６ｍｍとして転位セグメント導体１を作製し、これを直径１５００ｍｍのドラムに巻き付けた際の合成歪εは、図１０に示すように、θ＝１０．０°で最大歪０．３４％となり、全ての角度について許容歪み（０．４％）以下となる。
その結果、この転位セグメント導体１をドラムに巻くなど、転位セグメント導体１に曲げを加えた場合でも、超電導テープに加わるフラットワイズ歪とエッジワイズ歪の合成歪を、超電導テープ２中の超電導体の許容歪以下にすることができ、転位セグメント導体１の運搬時や取扱時等に許容歪を超える歪が加わることによる超電導体の破損や劣化による性能低下を防ぐことができる。

本発明は前記例示に限定されるものではなく、超電導テープ２の厚さ以外のパラメータを変更して、前記式（１）で表される合成歪εの最大値が、許容歪より小さくなる転位セグメント導体１を構成することもできる。
また、前記許容歪は、使用する酸化物超電導材料の種類、安全率の設定条件などにより変化するので、製造しようとする転位セグメント導体１における超電導体の許容歪を決定した後、前記式（１）で表される合成歪εの最大値がその許容歪より小さくなるように、各パラメータを設定する必要がある。

本発明の転位セグメント導体の一例を示す要部斜視図である。 本発明の転位セグメント導体の一例を示す縦断面図である。 転位セグメントの構造を例示する斜視図である。 転位セグメント導体をドラムに巻いた状態を示す断面図である。 転位セグメント導体に加わる各種の歪を説明するための概略図である。 従来の転位セグメント導体における合成歪の大きさを示すグラフである。 転位セグメント導体をドラムに巻いた際に、長手方向に加わる歪量を示すグラフである。 転位セグメント導体をドラムに巻いた際に、渡り部に加わる歪量を示すグラフである。 歪量の測定方法を説明するための測定装置を示す断面図である。 本発明の転位セグメント導体をドラムに巻いた際の合成歪の大きさを示すグラフである。

符号の説明

１…転位セグメント導体、２…超電導テープ、３…転位セグメント、４…フォーマ、５…保形テープ、６…転位渡り部、７…非転位渡り部、８…ドラム、９…模擬導体、１０…曲げ治具。

Claims (5)

1. 超電導テープを複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメントをパイプ状のフォーマの周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、
   前記フォーマの直径をｄ［ｍｍ］、前記超電導テープの厚さをｔ［ｍｍ］、前記超電導テープの幅をＷ［ｍｍ］、前記転位セグメントの転位渡り長をＬ［ｍｍ］、前記転位セグメントのスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］、前記転位セグメント導体を巻き付けるドラムの半径をＲ［ｍｍ］、前記フォーマ周方向からの角度をθ、前記超電導テープ長手方向からの角度をφとすると、下記式（１）及び式（２）
   

   

   

   の関係を満たす合成歪εが超電導テープ中の超電導体の許容歪以下であり、
   超電導テープの厚さをｔ［ｍｍ］、超電導テープの幅をＷ［ｍｍ］、転位セグメントの転位渡り長をＬ［ｍｍ］、転位セグメントのスパイラルピッチをｓ［ｍｍ］とすると、実験的経験として、下記式（Ｃ）または式（Ｄ）
   

   

   

   の関係が成り立つことを特徴とする転位セグメント導体。
2. 前記超電導テープの厚さｔに対する幅Ｗの比で表されるアスペクト比（Ｗ／ｔ）が２０以上であることを特徴とする請求項１に記載の転位セグメント導体。
3. 前記超電導テープが、一般式Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘで表される酸化物超電導材料を備えてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の転位セグメント導体。
4. 前記超電導テープの基材のヤング率が１００ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転位セグメント導体。
5. 前記超電導テープの基材がステンレス鋼であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の転位セグメント導体。

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