【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導体及び超電導ケーブルに係る。より詳細には、転位セグメントとこれを載置する管体との間に剛性体を設けることにより、転位セグメントの形状保持能力を向上させた転位セグメント導体及び超電導ケーブルに関する。
【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８は従来の転位セグメントを示す一例であり、図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）はＹ−Ｙ’部分の断面図である。図８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８００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８００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】
上記構成からなる転位セグメントを複数本、円筒状コアからなる管体（通称フォーマと呼称する）の周囲に螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体が広く知られている。その際、素線としてＢｉ系超電導材料からなる線材を用い、素線の幅を２ｍｍ以下、厚さを０．２ｍｍ以上としたものが利用されている。しかしながら、Ｂｉ系超電導材料からなる線材は電流密度が低く、シース材に銀を用いているため強度が弱いという問題があった。
【０００７】
上記問題を解消するため、Ｂｉ系超電導材料に代えてＹ系超電導材料の素線を用いた転位セグメントの開発が進められてきた。このＹ系超電導材料からなる転位セグメントを作製し、この転位セグメントで上述した構成の転位セグメント導体を製造し、液体窒素温度で使用可能な超電導ケーブルに用いる研究・開発が鋭意進められている。
【０００８】
ところが、現在主に作製されているＹ系超電導材料の素線は、幅が１０ｍｍ程度、厚さが０．１ｍｍ程度のテープ形状をなしている。このような寸法からなるテープ状の素線を単線で、あるいはテープ状の素線を複数本、撚り合わせてなる転位セグメントを、前述したフォーマに螺旋状に巻き付けた後、その上から絶縁テープを巻き付けた場合について、本発明者らは検討した。
【０００９】
図９は、転位セグメントをフォーマに螺旋状に巻き付けた状態を示す図であり、（ａ）はフォーマの軸方向から見た断面図、（ｂ）はフォーマ上に配された転位セグメントを上空から見た平面図である。図９（ａ）から明らかなように、テープ状の素線は、フォーマの外周方向に、フォーマ径相当の曲げ径で曲げられる力を受けた状態で固定されるので、場合によっては大きな歪みを受けることが分かった。極端な場合には、図９（ａ）に示すように、転位セグメントの内部で幅方向において中折れ現象が発生する恐れがある。
【００１０】
図９（ｂ）は、非転位渡り部を保形テープで結束し、転位渡り部にはそれぞれ５箇所（□印、番号１〜１０で示す部分）に歪ゲージを設けた状態を示している。本発明者らは、厚さ０．１ｍｍ、幅５ｍｍからなるテープ状の素線を６本撚り合わせて形成した転位セグメントを、径２２ｍｍのフォーマに螺旋巻きした場合の転位渡り部上に、歪ゲージを上述したとおり設け、各位置における歪みを測定した。
【００１１】
図１０は、歪ゲージの取り付け位置と周方向の曲げ歪との関係を示すグラフである。図１０より次の点が明らかとなった。
（ａ）全ての測定地点、すなわち□印と番号α１〜番号α１０で示す全ての地点において、少なからず周方向の曲げ歪が観測された。
（ｂ）保形テープで結束された非転位渡り部の近傍に位置する測定地点における周方向の曲げ歪が極小値をなす傾向を示す。
【００１２】
（ｃ）周方向の曲げ歪は非転位渡り部から離れるに従い増加傾向を示し、非転位渡り部とその隣に位置する非転位渡り部との間の真ん中付近、すなわち転位渡り部の中心付近において、周方向の曲げ歪は極大値を有する。
【００１３】
（４）上記グラフの結果から、周方向の曲げ歪は、非転位渡り部の付近で極小となり、転位渡り部の中心付近で極大となる正弦波（点線で示した曲線）とよく似た曲線形状をなすことが判明した。
（５）なお、図１０において縦軸０．４４付近を示す実線は、フォーマの径と転位セグメントの厚さから算出した歪を表しており、実測した周方向の曲げ歪の極大値とこの実線は、極めて一致することが確認された。
【００１４】
このように周方向の曲げ歪が存在する転位セグメントを備えた転位セグメント導体では、図９（ａ）に示すように、極端な場合には転位セグメントの内部で幅方向において中折れ現象が発生する恐れがあり、電気伝導特性を大きく阻害する要因となる。
【００１５】
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、上記のような周方向の曲げ歪が発生しない構造を備えてなる転位セグメント導体の開発が期待されていた。
【００１６】
【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、転位セグメントを複数本、フォーマと呼ばれる円筒状コアからなる管体の周囲に、螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、基体周方向に生じる曲げ歪を抑制することが可能な、転位セグメント導体及び超電導ケーブルを提供することを目的とする。
【００１７】
【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導体は、テープ状の素線を複数本、転位撚り合わせてなる転位セグメントを、断面外周が略円形をなす管体の周囲に、螺旋状に巻き付けてなる転位セグメント導体において、前記転位セグメントと前記管体との間に、該転位セグメントの幅と略同一の幅を有する平板状の剛性体を配したことを特徴としている。
【００１８】
すなわち、かかる構成の上記構成の転位セグメント導体は、複数本のテープ状の素線を転位撚り合わせてなる転位セグメントを１本又は２本以上、断面外周が略円形をなす管体の周囲に、管体の長手方向に延びるように、螺旋状に巻き付けた構造からなる。
【００１９】
このような構造を採用することにより、剛性の高い材料を基材とした素線を用いた際に強度の向上が図られると共に、例えば超電導体からなる素線を用いた場合、磁場発生時において素線に加わる強大な電磁力にも耐える強度を備えた転位セグメント導体を得ることができる。
【００２０】
また、上記構成の転位セグメント導体では、前記転位セグメントと前記管体との間に、転位セグメントの幅より極端に狭かったり、あるいは極端に広かったりせず、転位セグメントの幅と略同一の幅を有し、少なくともこの転位セグメントが接するのする平板状の剛性体を配する。
【００２１】
このような剛性体を配することにより、転位セグメントを管体の周囲に螺旋状に巻き付けた際に、転位セグメントの構造は剛性体に押し付けられることにより安定に保持される。そのため、剛性体を介さず管体に直接押し付けられていた従来の転位セグメントの問題、すなわち、転位セグメントが管体の周方向に曲げられ、大きな歪みを受けるという問題が解消される。
【００２２】
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、それぞれの素線ごとにフープ力に抗する方向に支える手段として個別に支持体を設けているので、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。したがって、転移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。
【００２３】
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。
【００２４】
本発明に係る超電導ケーブルは、上述した本発明の転位セグメント導体を用いて構成されたものである。
【００２５】
【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導体の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、本発明に係る転位セグメント導体の一実施形態を示す断面図である。この形態の転位セグメント導体は、転位セグメント１０を複数本、フォーマと呼ばれる円筒状コアからなる管体１の周囲に、螺旋状に巻き付けてなり、転位セグメント１０と管体１との間に、転位セグメント１０の幅と略同一の幅を有する平板状の剛性体２を配したものである。
【００２７】
なお、図１（ａ）の転位セグメント導体では、剛性体２を管体１に沿わせて支持させるため、絶縁性または半導電性の支持用テープ３を用いた例を示したが、他の手段を用いても構わない。図１（ｂ）の転位セグメント導体は、支持用テープ３に加えて、転位セグメント１０を管体１に押しつけ固定するため、絶縁性または半導電性の支持用テープ４を配した点が、図１（ａ）の転位セグメント導体と異なる。
【００２８】
前記転位セグメント１０は、図３（ａ）に示すようにテープ状の超電導体からなる素線３１０を複数本（図面では６本）転位撚り合わせしてなる長尺の帯状のものである。図３に示した転位セグメント１０の場合、複数本の素線３１０は非転位渡り部３３０においてのみ保形用テープで結束されており、転位渡り部３２０の素線３１０は自由な状態にある。
【００２９】
個々の素線３１０は、図３（ｂ）に示すように、この形態の転位セグメント１０は、テープ状の超電導導体３１１に絶縁被覆層３１２を設けてなるものである。この複数本の素線３１０を集合して撚り合わせる際に、各テープ状の素線３１０をその長尺方向において、図３（ａ）に示すように順次その位置を代えて変位するように撚り合わされたものである。
【００３０】
まず、図２（ａ）に示すように、フォーマと呼ばれる円筒状コアからなる管体１の周囲に、転位セグメント１０と略同幅の剛性体２を螺旋状に巻き付けたものを作製する。次いで、絶縁性または半導電性の支持用テープ３を用い、剛性体２を管体１に沿わせて支持させる。このように準備された管体１の外周に配された剛性体２上に、支持用テープ３を介して転位セグメント１０を設けたものが、図１に示した転位セグメント導体である。
【００３１】
ところで、本発明に係る転位セグメント導体を構成する転位セグメントにおいては、個々の素線３１０は、その長さ方向において転位セグメント１０の表面側（外層側）に位置する場合と底面側（内層側）に位置する場合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１０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。
【００３２】
前述したフォーマと呼ばれる管体１は、例えばステンレス鋼、銅パイプなどの金属材料からなるものが用いられる。このような管体１の表面は、管体１と転位セグメント１０との間の通電を抑制するために絶縁処理が施される形態が望ましい。図１の転位セグメント導体では、この役割を絶縁性または半導電性の支持用テープ３が担っている。また、図１では省略してあるが、管体１の内部空間には、内部冷媒流路が設けられる。
【００３３】
素線３１０としては、図３（ｂ）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。例えば、基材上に超電導層を設けてなる素線は、その断面形状が矩形状をなすので好適に用いられる。
【００３４】
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場合には、転位セグメント１０を構成するそれぞれの素線ごとにフープ力に抗する方向に支える手段として個別に支持体（不図示）を設けることにより、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。
【００３５】
したがって、転位撚り合わせ加工は難しいが、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。
【００３６】
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。図３に示すように、転位セグメント１０においては、上記金属基材を用いることができる。その結果、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に可能となる。
【００３７】
テープ状の素線３１０を超電導素線とする場合は、金属基材上に酸化物超電導層を形成したものや、断面視円形状の超電導多心素線（不図示）が圧延加工等により平坦化されたものが用いられ、この超電導素線の横断面形状は、矩形状とすることが好ましい。この超電導素線は、幅１．０ｍｍ〜１５．０ｍｍ程度、厚さ０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲のものとされる。
【００３８】
本発明で用いる超電導材料としては、ハステロイ等の金属基板上にイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）中間層を介してＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（Ｙ１２３）が成膜された酸化物超電導材料をはじめ、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏｘ （Ｂｉ２２１２）、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｙ（Ｂｉ２２２３）、Ｂｉ１．６Ｐｂ０．４Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ などで示される組成をもつ酸化物超電導材料などの高温超電導材料、あるいはＮｂ３Ｓｎ、Ｎｂ３ＡｌなどのＡ１５型材料からなる低温超電導材料を例示することができる。
【００３９】
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。これらは、単体では機械的に脆い性質を有する材料として知られている。
【００４０】
高抵抗化膜３１２は、後述するシース材の硫化物からなるものであり、このなかでも硫化銀からなることが好ましい。また、高抵抗化膜３１２を紫外線硬化型樹脂被膜により構成することもできる。
【００４１】
このような高抵抗化膜３１２は、後述する基地を形成するシース材よりも電気抵抗率が高くなっていることが、テープ状の超電導導体３１１の表面を高抵抗化することができ、隣接するテープ状の超電導導体３１１のシース材に渦電流が導通することがなく、各々のテープ状の超電導導体３１１の内部に渦電流が留まるようにできる点で好ましい。
【００４２】
例えば、基地が電気抵抗率の低いＡｇ（７７Ｋにおいて電気抵抗率が０．３μΩｃｍ）等から構成されている場合、該基地の周囲の高抵抗化膜２２が電気抵抗率の高い硫化銀（７７ＫにおいてＡｇの電気抵抗率の約１０３倍以上の電気抵抗率を有する）などから構成される。
【００４３】
テープ状の支持材は、非磁性のオーステナイト系金属材料又は銅合金が用いられる。前者としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼等が挙げられる。後者としては、銅ニッケルや燐青銅、銅ベリリウム合金、銅ニオブ複合材、銅銀合金等の高強度を有する銅合金を挙げることができる。
【００４４】
このテープ状の支持材の横断面形状は、テープ状の素線３１０をなす超電導導体３１１の横断面形状と同様の矩形状とすることが好ましい。この支持材の寸法としては、例えば幅１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲のものが好適に用いられる。
【００４５】
シース材としては、例えばＡｇ，Ｐｔ，Ａｕ等の貴金属あるいはそれらの合金からなるものが用いられる。従って、上述したような超電導多心素線から形成された超電導多心素線（超電導素線）３１１は、Ａｇ，Ｐｔ，Ａｕ等の貴金属あるいはそれらの合金からなる金属シースの内部に複数のフィラメント状の超電導コアが分散された構造とされている。
【００４６】
前述した絶縁被覆層３１２を構成する絶縁材料としては、例えばポリエステル、ポリエステルイミド、ポリエステルイミドヒダントイン、エナメルなどが用いられる。このような絶縁被覆層３１２の厚さとしては、１〜５０μｍ程度の範囲のものが用いられる。
【００４７】
管体１の上に配される剛性体２としては、例えば延性があり、剛性が高く、塑性変形する金属からなるものが好適に用いられる。特に、剛性体２は管体１に巻き付けた際に、その形状が保持されることが好ましい。剛性体２の仕様としては、ヤング率が１００ＧＰａ以上、降伏応力又は耐力が５００ＭＰａ以上で、降伏歪が小さいものが望ましく、具体的にはステンレス鋼やリン青銅のような銅合金などが挙げられる。
【００４８】
剛性体２を管体１に支持させる役目を担う支持用テープ３としては、電力ケーブルとして使用される場合、絶縁性または半導電性の材料が好ましく、具体的な材料としてはカーボン紙、クラフト紙、テフロン（登録商標）テープ、ポリイミドテープなどが挙げられる。
【００４９】
転位セグメント１０を管体１の外周側に押しつけて保持させる役目を担う支持用テープ４としては、支持用テープ３と同様に絶縁性または半導電性の材料が好ましく、具体的な材料としてはカーボン紙、クラフト紙、テフロン（登録商標）テープ、ポリイミドテープなどが挙げられる。
【００５０】
本発明に係る転位セグメント１０を構成する超電導素線としては、ハステロイ等の金属基板上に、ＹＳＺやＹＢＣＯ等の超電導体層を成膜したものが好適である。例えば、幅５ｍｍで厚さが０．１ｍｍのＹＢＣＯ線材（ハステロイ基板／ＹＳＺ中間層／ＹＢＣＯ超電導体層）が挙げられる。
【００５１】
〔転位撚り合せ工程〕
次に、前述した素線３１０を複数本、転位撚り合せ機に供給する。転位撚り合せ機を用い、前記テープ状の素線３１０の複数本（図面では６本）を、所定の転位ピッチで転位撚り合わせて、図３（ａ）に示すような転位セグメント１０を形成する。ここでの転位ピッチ（転位渡り部の長さ）としては、例えば２０ｍｍ〜５００ｍｍ程度の範囲が好適であるが、テープ線材の幅と厚さの組合せにより、転位ピッチの値は変わる。
【００５２】
〔巻回工程１〕
上述した転位セグメント１０と略同幅の剛性体２を、使用する転位セグメント１０と同じ数とした複数組（例えば、２４組）だけ、表面に絶縁処理が施された管体１の周囲に所定の螺旋ピッチでＺ巻あるいはＳ巻で巻回した後、剛性体２の上に支持用テープ３を巻き付けて、剛性体２を管体１の外周に固定する。
【００５３】
〔巻回工程２〕
次いで、上述した転位セグメント１０の複数組（例えば、２４組）が、個々の剛性体２の上に配されるように、管体１の周囲に所定の螺旋ピッチでＺ巻あるいはＳ巻で巻回する。これにより、図１（ａ）に示すような転位セグメント導体が得られる。ここでの螺旋ピッチとしては、１００〜２０００ｍｍ程度の範囲内が好ましい。
【００５４】
本発明に係る転位セグメント導体にあっては、ハステロイ基板上にＹＳＺ中間層、ＹＢＣＯ超電導体層を設けてなるテープ状の素線３１０を複数本、転位撚り合わせた転位セグメント１０を用いたことにより、内層側と外層側での層間電流勾配を抑制することができる。
【００５５】
すなわち、超電導導体１９をそのまま管体１の外周に多層巻回した場合に、自己磁場の影響から、転位セグメント導体を構成する最外層の素線３１０に多くの電流が流れ、転位セグメント導体の内層側に向かって実際に流れる電流が少なくなる層間電流勾配を生じる傾向があり、臨界電流密度が低下する傾向があるのに対して、本発明に係る転位セグメント導体では、転位撚り合せすることで１本の素線３１０を内層側と外層側を行き来するように配する構成したので、上記の層間電流勾配の発生を抑制できる。その結果、交流通電時の偏流を防止して臨界電流密度の劣化を防止できる転位セグメント導体が得られる。
【００５６】
また、本発明に係る転位セグメント導体は、転位セグメント１０と管体１との間に、転位セグメント１０の幅より極端に狭かったり、あるいは極端に広かったりせず、転位セグメント１０の幅と略同一の幅を有し、少なくとも転位セグメント１０が接する平板状の剛性体を配したので、転位セグメント１０を管体１の周囲に螺旋状に巻き付けた際に、転位セグメント１０の構造は剛性体２に押し付けられ、より安定に保持される。
【００５７】
従って、本発明による剛性体２を配した転位セグメント導体であれば、図９（ａ）に示すような剛性体を介さず管体９０１に直接押し付けられていた従来の転位セグメント２０の問題、すなわち、転位セグメント２０が管体９０１の周方向（矢印の方向）に曲げられ、大きな歪みを受けるという問題が解消される。その結果、本発明に係る転位セグメント導体では、転位セグメントの構造が乱れることが無くなり、安定した導通環境が維持される。ゆえに、本発明によれば、従来より超電導特性の極めて安定な転位セグメント導体の提供が可能となる。
【００５８】
＜超電導ケーブル＞
次に、上述した本発明に係る転位セグメント導線を用いた超電導ケーブルの実施形態について説明する。
図４は、転位セグメント導線が超電導ケーブルをなす一実施形態を示す斜視図である。なお、図４においては、超電導ケーブルの全体構成を詳述するため、図１に示した本発明に係る剛性体や支持体は省略してある。
【００５９】
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。
【００６０】
フォーマ４７７はステンレス鋼などからなり、その表面にはフォーマ４７７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の冷却が行われるようになっている。
【００６１】
以上の超電導ケーブル４７０では、転位セグメントと管体との間に、転位セグメントの幅と略同一の幅を有し、少なくともこの転位セグメントが接するように平板状の剛性体を配したことにより、転位セグメントを管体の周囲に螺旋状に巻き付けた際に、転位セグメントの構造は剛性体に押し付けられることにより安定に保持されるので、転位セグメントが管体の周方向に曲げられ、大きな歪みを受けるという従来の問題が解消され、ひいては、安定した超電導特性の維持が図られる。
【００６２】
【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導体は、転位セグメントと管体との間に平板状の剛性体を配する構成を採用した。従って、このような転位セグメント導体であれば、これを構成する転位セグメントが管体の周方向に曲げられ、大きな歪みを受けるという従来の問題が解消されるので、超電導特性の安定性に優れ、長期信頼性の高い超電導ケーブルの提供に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る転位セグメント導体の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る転位セグメント導体の製造途中の様子を示す示す断面図である。
【図３】本発明に係る転位セグメントの一実施形態を示す概略図である。
【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】従来の転位セグメントの一実施形態を示す概略図である。
【図６】従来の転位セグメント導体の一実施形態を示す断面図（ａ）と上方から見た平面図（ｂ）である。
【図７】歪ゲージ取り付け位置と周方向曲げ歪との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
α１〜α１０ 歪ゲージ取り付け位置、１、９０１ 管体、２ 剛性体、３、４ 支持テープ、１０、２０ 転位セグメント、３１０、８１０ 素線、３２０、８２０ 転位渡り部、３３０、８３０ 非転位渡り部、３４０、８４０ 保形用テープ、４７０ 超電導ケーブル。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dislocation segment conductor and a superconducting cable formed by twisting a plurality of strands. More specifically, the present invention relates to a dislocation segment conductor and a superconducting cable in which a rigid body is provided between a dislocation segment and a tube on which the dislocation segment is mounted, thereby improving the shape retaining ability of the dislocation segment.
[0002]
[Prior art]
As a method of suppressing a particular drift caused by applying an alternating current to a superconducting cable, a dislocation twisted wire structure called a dislocation superconducting tape unit (hereinafter, dislocation) formed by twisting a plurality of strands of a tape-shaped superconductor into dislocations. A segment is abbreviated (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-11-203958
8A and 8B show an example of a conventional dislocation segment. FIG. 8A is a perspective view, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line YY '. As shown in FIG. 8, for example, in a dislocation segment 800 in which a plurality of tape-shaped strands 810 are twisted by dislocation, a specific strand 810 crosses over another adjacent strand 810 toward a dislocation portion ( Hereinafter, referred to as a dislocation crossover portion) 820. For example, when the strand 810 is made of a highly flexible metal material, for example, if the width of the strand 810 is set to, for example, about 2 mm, the length of the dislocation transition portion 820 can be set to about 100 mm. .
[0005]
Further, in the dislocation segment 800 having the above-described configuration, predetermined portions between the adjacent dislocation transition portions 820 and 820 (non-dislocation transition portions 830) are bound by a shape-retaining tape 840 in order to maintain the structure. The shape-retaining tape 840 has one surface coated with an adhesive, and is adhered and fixed to the strand 810 via the adhesive.
[0006]
A dislocation segment conductor formed by spirally winding a plurality of dislocation segments having the above-described configuration around a tubular body (referred to as a former) formed of a cylindrical core is widely known. At this time, a wire made of a Bi-based superconducting material is used as the wire, and the wire having a width of 2 mm or less and a thickness of 0.2 mm or more is used. However, a wire made of a Bi-based superconducting material has a problem that the current density is low and the strength is weak because silver is used for the sheath material.
[0007]
In order to solve the above problem, development of a dislocation segment using a Y-based superconducting material wire instead of a Bi-based superconducting material has been promoted. Research and development of a dislocation segment made of the Y-based superconducting material, a dislocation segment conductor having the above-described configuration is manufactured from the dislocation segment, and the dislocation segment conductor is used for a superconducting cable usable at a liquid nitrogen temperature are being actively studied.
[0008]
However, the element wires of the Y-based superconducting material mainly manufactured at present have a tape shape with a width of about 10 mm and a thickness of about 0.1 mm. A tape-shaped strand having such dimensions is a single wire, or a plurality of tape-shaped strands, and a dislocation segment formed by twisting, after spirally winding the former with the above-described former, an insulating tape is formed thereon. The present inventors have studied the case of winding.
[0009]
9A and 9B are diagrams showing a state in which dislocation segments are spirally wound around a former, wherein FIG. 9A is a cross-sectional view as viewed from the axial direction of the former, and FIG. 9B is a view showing the dislocation segments arranged on the former from above. FIG. As is clear from FIG. 9 (a), the tape-shaped element wire is fixed in the outer circumferential direction of the former under the state of being subjected to a bending force with a bending diameter corresponding to the former diameter. I understood that I would receive it. In an extreme case, as shown in FIG. 9A, there is a possibility that a center folding phenomenon occurs in the width direction inside the dislocation segment.
[0010]
FIG. 9 (b) shows a state in which the non-dislocation transition portions are bound by a shape-retaining tape, and strain gauges are provided at five locations (indicated by □, portions indicated by numbers 1 to 10) in each of the dislocation transition portions. . The present inventors distorted a dislocation segment formed by twisting six tape-shaped strands each having a thickness of 0.1 mm and a width of 5 mm onto a dislocation transition portion when spirally wound around a 22 mm diameter former. Gauges were provided as described above, and the strain at each position was measured.
[0011]
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the mounting position of the strain gauge and the bending strain in the circumferential direction. The following points became clear from FIG.
(A) At all the measurement points, that is, at all the points indicated by the squares and the numbers α1 to α10, not a little bending strain in the circumferential direction was observed.
(B) The bending strain in the circumferential direction at the measurement point located near the non-dislocation transition portion bound by the shape-retaining tape tends to have a minimum value.
[0012]
(C) The bending strain in the circumferential direction shows a tendency to increase as the distance from the non-dislocation transition part increases, and near the center between the non-dislocation transition part and the adjacent non-dislocation transition part, that is, near the center of the dislocation transition part. The bending strain in the circumferential direction has a maximum value.
[0013]
(4) From the results of the above graph, the bending strain in the circumferential direction is a curve very similar to a sine wave (curve indicated by a dotted line) which is minimal near the non-dislocation transition part and is maximum near the center of the dislocation transition part. It turned out to be in shape.
(5) In FIG. 10, the solid line near the vertical axis 0.44 represents the strain calculated from the diameter of the former and the thickness of the dislocation segment, and the measured maximum value of the circumferential bending strain and the solid line. Was found to be extremely consistent.
[0014]
As shown in FIG. 9A, in the dislocation segment conductor having the dislocation segments in which the bending strain exists in the circumferential direction, as shown in FIG. 9A, in an extreme case, the bending phenomenon occurs in the width direction inside the dislocation segments. There is a danger that this may greatly impair the electric conduction characteristics.
[0015]
Therefore, there is a risk of electric loss or even breakage, so from the aspect of maintaining stable electric conduction characteristics and establishing high long-term reliability, the above-described circumferential bending strain is generated. The development of a dislocation segment conductor having a structure that does not have to be performed has been expected.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a dislocation segment conductor formed by spirally winding a plurality of dislocation segments around a tubular body called a former and having a cylindrical core, bending generated in a circumferential direction of a base body. It is an object of the present invention to provide a dislocation segment conductor and a superconducting cable capable of suppressing distortion.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The dislocation segment conductor according to the present invention is a dislocation segment conductor formed by spirally winding a plurality of tape-shaped strands, a dislocation segment formed by twisting dislocations around a tubular body having a substantially circular cross-sectional periphery. A flat rigid body having a width substantially equal to the width of the dislocation segment is disposed between the dislocation segment and the tubular body.
[0018]
That is, the dislocation segment conductor having the above-described configuration has one or two or more dislocation segments formed by twisting and displacing a plurality of tape-shaped wires, around a tubular body having a substantially circular cross-sectional periphery. It has a structure wound spirally so as to extend in the longitudinal direction of the tube.
[0019]
By adopting such a structure, the strength can be improved when using a strand made of a highly rigid material as a base material.For example, when a strand made of a superconductor is used, when a magnetic field is generated, It is possible to obtain a dislocation segment conductor having strength enough to withstand a strong electromagnetic force applied to the strand.
[0020]
Further, in the dislocation segment conductor having the above-described configuration, between the dislocation segment and the tube, the width is substantially the same as the width of the dislocation segment without being extremely narrower or extremely wider than the width of the dislocation segment. And a plate-shaped rigid body at least in contact with the dislocation segments.
[0021]
By disposing such a rigid body, when the dislocation segment is spirally wound around the tube, the structure of the dislocation segment is stably held by being pressed against the rigid body. For this reason, the problem of the conventional dislocation segment that is directly pressed against the tube without the intermediary of the rigid body, that is, the problem that the dislocation segment is bent in the circumferential direction of the tube and receives large distortion is solved.
[0022]
In the present invention, a wire provided with a superconducting layer on a metal substrate can be used as the element wire.
In the dislocation segment according to the present invention, since a support is individually provided as a means for supporting each hoop force in a direction against the hoop force, the dislocation segment is made of a material having appropriate flexibility to the base material as in the related art. There is no need to choose. Therefore, it is possible to use a metal base material having high strength and high rigidity, which is difficult to transfer twist. In particular, it is more preferable to use, for example, stainless steel or a Hastelloy alloy as the metal substrate because the tensile strength and rigidity can be remarkably enhanced.
[0023]
Further, as the superconducting layer according to the present invention, a layer composed of an oxide superconductor can be used.
In the dislocation segment according to the present invention, since the above-described 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.
[0024]
A superconducting cable according to the present invention is configured using the above-described dislocation segment conductor of the present invention.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a dislocation segment conductor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of a dislocation segment conductor according to the present invention. The dislocation segment conductor of this embodiment is formed by spirally winding a plurality of dislocation segments 10 around a tubular body 1 formed of a cylindrical core called a former. A rigid body 2 having a flat plate shape having substantially the same width as the width of the segment 10 is provided.
[0027]
In the dislocation segment conductor shown in FIG. 1A, an example in which an insulating or semiconductive supporting tape 3 is used to support the rigid body 2 along the tubular body 1 is shown. Means may be used. The dislocation segment conductor shown in FIG. 1B is provided with an insulating or semiconductive support tape 4 for pressing and fixing the dislocation segment 10 to the tube 1 in addition to the support tape 3. This is different from the dislocation segment conductor of FIG.
[0028]
As shown in FIG. 3A, the dislocation segment 10 is a long strip formed by twisting a plurality of (six in the drawing) strands 310 made of a tape-shaped superconductor. In the case of the dislocation segment 10 shown in FIG. 3, the plurality of strands 310 are bound by the shape retaining tape only at the non-dislocation transition part 330, and the strand 310 of the dislocation transition part 320 is in a free state.
[0029]
As shown in FIG. 3B, the individual wires 310 have a dislocation segment 10 in this form in which a tape-shaped superconducting conductor 311 is provided with an insulating coating layer 312. When the plurality of strands 310 are assembled and twisted, each tape-shaped strand 310 is twisted so as to be displaced in the longitudinal direction so as to be displaced sequentially as shown in FIG. It has been combined.
[0030]
First, as shown in FIG. 2A, a rigid body 2 having substantially the same width as the dislocation segment 10 is spirally wound around a tubular body 1 formed of a cylindrical core called a former. Next, the rigid body 2 is supported along the tube 1 using an insulating or semiconductive supporting tape 3. A dislocation segment conductor shown in FIG. 1 is provided with dislocation segments 10 via a supporting tape 3 on a rigid body 2 arranged on the outer periphery of the tube body 1 thus prepared.
[0031]
By the way, in the dislocation segment constituting the dislocation segment conductor according to the present invention, the individual wires 310 are located on the surface side (outer layer side) of the dislocation segment 10 in the length direction and on the bottom side (inner layer side). Are arranged so as to be alternately repeated. The winding direction of such a dislocation segment 10 is the direction of S winding (right winding) or the direction of Z winding (left winding).
[0032]
The tube 1 called a former is made of a metal material such as stainless steel or copper pipe. It is desirable that the surface of such a tube 1 be subjected to an insulation treatment in order to suppress the current flow between the tube 1 and the dislocation segments 10. In the dislocation segment conductor of FIG. 1, the insulating tape or the semiconductive tape 3 plays this role. Although not shown in FIG. 1, an internal coolant channel is provided in the internal space of the tube 1.
[0033]
The wire 310 may be a wire made of any material as long as the wire has a tape-shaped rectangular cross section as shown in FIG. For example, a wire formed by providing a superconducting layer on a base material is preferably used because its cross-sectional shape is rectangular.
[0034]
In the case where a wire having a superconducting layer provided on a metal base is used as the wire, each wire constituting the dislocation segment 10 is individually supported as a means for supporting in the direction against the hoop force. (Not shown), it is not necessary to dare to select a material having a suitable flexibility for the substrate as in the prior art.
[0035]
Therefore, dislocation twisting is difficult, but a metal substrate having high strength and high rigidity can be used. In particular, it is more preferable to use, for example, stainless steel or a Hastelloy alloy as the metal substrate because the tensile strength and rigidity can be remarkably enhanced.
[0036]
Further, as the superconducting layer according to the present invention, a layer composed of an oxide superconductor can be used. As shown in FIG. 3, in the dislocation segment 10, the above-mentioned metal base material can be used. As a result, it is possible to easily 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.
[0037]
When the tape-shaped wire 310 is a superconducting wire, an oxide superconducting layer formed on a metal substrate or a superconducting multi-core wire (not shown) having a circular cross section is flattened by rolling or the like. It is preferable that the cross-sectional shape of this superconducting wire be rectangular. The superconducting wire has a width of about 1.0 mm to 15.0 mm and a thickness of about 0.05 mm to 1.0 mm.
[0038]
As the superconducting material used in the present invention, an oxide superconducting material in which Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x (Y123) is formed on a metal substrate such as Hastelloy via an intermediate layer of yttrium-stabilized zirconia (YSZ). , Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O x (Bi 2212), Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O y (Bi 2223), Bi 1.6 Pb 0.4 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x and the like. High-temperature superconducting material such as an oxide superconducting material having a desired composition, or a low-temperature superconducting material composed of an A15-type material such as Nb 3 Sn or Nb 3 Al.
[0039]
These may be used alone or in combination of two or more. These are known as materials having mechanically brittle properties by themselves.
[0040]
The high-resistance film 312 is made of a sulfide of a sheath material described later, and among these, it is preferable to be made of silver sulfide. Further, the high resistance film 312 may be formed of an ultraviolet curable resin film.
[0041]
Such a high-resistance film 312 has a higher electrical resistivity than a sheath material forming a base, which will be described later, which can increase the resistance of the surface of the tape-shaped superconducting conductor 311 and is adjacent to the tape-shaped superconductor 311. This is preferable because the eddy current does not conduct to the sheath material of the tape-shaped superconducting conductor 311 and the eddy current can remain inside each tape-shaped superconducting conductor 311.
[0042]
For example, when the base is made of Ag having a low electric resistivity (the electric resistivity is 0.3 μΩcm at 77K) or the like, the high-resistance film 22 around the base is made of silver sulfide having a high electric resistivity (at 77K). (Having an electrical resistivity that is at least about 103 times the electrical resistivity of Ag).
[0043]
A non-magnetic austenitic metal material or a copper alloy is used for the tape-shaped support material. Examples of the former include austenitic stainless steels such as SUS304 and SUS316. Examples of the latter include high-strength copper alloys such as copper nickel, phosphor bronze, copper beryllium alloy, copper niobium composite, and copper silver alloy.
[0044]
It is preferable that the cross-sectional shape of the tape-shaped support member is a rectangular shape similar to the cross-sectional shape of the superconducting conductor 311 forming the tape-shaped strand 310. As the dimensions of the support material, for example, those having a width of about 1.0 mm to 5.0 mm and a thickness of about 0.1 mm to 1.0 mm are suitably used.
[0045]
As the sheath material, for example, a material made of a noble metal such as Ag, Pt, or Au or an alloy thereof is used. Therefore, the superconducting multifilamentary wires (superconducting strands) 311 formed from the above-described superconducting multifilamentary wires have a plurality of filaments inside a metal sheath made of a noble metal such as Ag, Pt, or Au, or an alloy thereof. It has a structure in which superconducting cores are dispersed.
[0046]
As the insulating material constituting the insulating coating layer 312, for example, polyester, polyesterimide, polyesterimide hydantoin, enamel, or the like is used. The thickness of the insulating coating layer 312 is in the range of about 1 to 50 μm.
[0047]
As the rigid body 2 disposed on the pipe 1, for example, a rigid body made of a metal having ductility, high rigidity, and plastically deforming is preferably used. In particular, it is preferable that the shape of the rigid body 2 is maintained when the rigid body 2 is wound around the tubular body 1. The specification of the rigid body 2 is desirably one having a Young's modulus of 100 GPa or more, a yield stress or proof stress of 500 MPa or more, and a small yield strain, and specifically, a copper alloy such as stainless steel or phosphor bronze.
[0048]
When used as a power cable, the supporting tape 3 serving to support the rigid body 2 on the tubular body 1 is preferably an insulating or semiconductive material, and specific materials include carbon paper and kraft paper. , Teflon (registered trademark) tape, polyimide tape and the like.
[0049]
As the supporting tape 4 serving to press and hold the dislocation segment 10 against the outer peripheral side of the tubular body 1, an insulating or semiconductive material is preferable as in the case of the supporting tape 3, and a specific material is carbon. Examples include paper, kraft paper, Teflon (registered trademark) tape, and polyimide tape.
[0050]
As the superconducting element wire constituting the dislocation segment 10 according to the present invention, a superconducting layer such as YSZ or YBCO formed on a metal substrate such as Hastelloy is suitable. For example, a YBCO wire having a width of 5 mm and a thickness of 0.1 mm (Hastelloy substrate / YSZ intermediate layer / YBCO superconductor layer) may be used.
[0051]
[Dislocation twisting step]
Next, a plurality of the above-mentioned strands 310 are supplied to the dislocation twisting machine. Using a dislocation twisting machine, a plurality of the tape-shaped strands 310 (six in the drawing) are twisted at a predetermined dislocation pitch to form dislocation segments 10 as shown in FIG. . The dislocation pitch (length of the dislocation transition portion) is preferably, for example, in the range of about 20 mm to 500 mm, but the value of the dislocation pitch changes depending on the combination of the width and thickness of the tape wire.
[0052]
[Winding process 1]
A plurality of sets (for example, 24 sets) of the same number of rigid bodies 2 having substantially the same width as the dislocation segments 10 described above are provided around the tube 1 whose surface is insulated. Then, the support tape 3 is wound around the rigid body 2 to fix the rigid body 2 to the outer periphery of the tubular body 1.
[0053]
[Winding process 2]
Next, a plurality of sets (for example, 24 sets) of the above-described dislocation segments 10 are wound around the tube 1 at a predetermined spiral pitch by Z winding or S winding so as to be arranged on the individual rigid bodies 2. Turn. Thereby, a dislocation segment conductor as shown in FIG. 1A is obtained. The helical pitch here is preferably in the range of about 100 to 2000 mm.
[0054]
In the dislocation segment conductor according to the present invention, a plurality of tape-shaped strands 310 each having a YSZ intermediate layer and a YBCO superconductor layer provided on a Hastelloy substrate, and the dislocation segment 10 obtained by twisting dislocations are used. In addition, an interlayer current gradient between the inner layer side and the outer layer side can be suppressed.
[0055]
That is, when the superconducting conductor 19 is wound as it is on the outer circumference of the tube 1 in a multilayer, a large amount of current flows through the strand 310 of the outermost layer constituting the dislocation segment conductor due to the influence of the self-magnetic field, and the inner layer of the dislocation segment conductor In contrast to the tendency that an interlayer current gradient in which the current actually flowing toward the side decreases, and the critical current density tends to decrease, in the dislocation segment conductor according to the present invention, the dislocation twists Since the strands 310 are arranged so as to move back and forth between the inner layer side and the outer layer side, it is possible to suppress the generation of the interlayer current gradient described above. As a result, it is possible to obtain a dislocation segment conductor that can prevent the drift at the time of the AC current flow and prevent the deterioration of the critical current density.
[0056]
In addition, the dislocation segment conductor according to the present invention is substantially the same as the width of the dislocation segment 10 between the dislocation segment 10 and the tube 1 without being extremely narrower or extremely wider than the width of the dislocation segment 10. And a flat rigid body at least in contact with the dislocation segment 10 is arranged. When the dislocation segment 10 is spirally wound around the tube 1, the structure of the dislocation segment 10 is Pressed and held more stably.
[0057]
Therefore, in the case of the dislocation segment conductor provided with the rigid body 2 according to the present invention, the problem of the conventional dislocation segment 20 directly pressed against the tube 901 without passing through the rigid body as shown in FIG. In addition, the problem that the dislocation segment 20 is bent in the circumferential direction (the direction of the arrow) of the tubular body 901 and receives a large distortion can be solved. As a result, in the dislocation segment conductor according to the present invention, the structure of the dislocation segment is not disturbed, and a stable conduction environment is maintained. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a dislocation segment conductor having extremely stable superconducting characteristics.
[0058]
<Superconducting cable>
Next, an embodiment of a superconducting cable using the above-described dislocation segment conductor according to the present invention will be described.
FIG. 4 is a perspective view showing an embodiment in which the dislocation segment conductor forms a superconducting cable. In FIG. 4, the rigid body and the support according to the present invention shown in FIG. 1 are omitted in order to describe the entire configuration of the superconducting cable in detail.
[0059]
The superconducting cable 470 of this embodiment has a structure in which drift is suppressed when an alternating current is applied, and the dislocation segment 10 is spirally wound around a pipe-like former (tube body) 477 to form a plurality. Are superposed, and an interlayer insulating layer 485 made of an insulating tape or the like is formed between the superconducting layers 484 and 484. Outside the superconducting cable 470, a semiconductor layer, an insulating layer, a protective layer, a heat insulating layer, an anticorrosion layer, and the like (not shown) are formed and used as necessary.
[0060]
The former 477 is made of stainless steel or the like, and its surface is subjected to an insulation treatment to suppress the current flow between the former 477 and the dislocation segment 10. The internal cavity is used as a flow path for a cooling medium such as liquid nitrogen, so that a plurality of wires constituting the dislocation segment 10 are cooled.
[0061]
In the above-described superconducting cable 470, the dislocation segment has a width substantially equal to the width of the dislocation segment, and a flat rigid body is arranged so that at least the dislocation segment is in contact with the dislocation segment. When the segment is spirally wound around the tube, the structure of the dislocation segment is stably held by being pressed against the rigid body, so that the dislocation segment is bent in the circumferential direction of the tube and receives a large strain. The conventional problem described above is solved and, as a result, stable superconducting characteristics are maintained.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, the dislocation segment conductor according to the present invention employs a configuration in which a flat rigid body is disposed between the dislocation segment and the tube. Therefore, with such a dislocation segment conductor, the conventional problem of dislocation segments constituting the dislocation segment being bent in the circumferential direction of the tube and receiving a large strain is solved, so that the superconductivity is excellent in stability, It contributes to providing superconducting cables with high long-term reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of a dislocation segment conductor according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state during the production of the dislocation segment conductor according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing one embodiment of a dislocation segment according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing one embodiment of a superconducting cable according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating one embodiment of a conventional dislocation segment.
6A is a cross-sectional view showing one embodiment of a conventional dislocation segment conductor, and FIG. 6B is a plan view seen from above.
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a strain gauge attachment position and a circumferential bending strain.
[Explanation of symbols]
α1 to α10 Strain gauge mounting position, 1,901 tube, 2 rigid body, 3,4 support tape, 10,20 dislocation segment, 310,810 strand, 320,820 dislocation transition section, 330,830 non-dislocation transition section 340,840 Tape for shape retention, 470 Superconducting cable.
