(57)【要約】【課題】剛性の高い基材を使用しても転位渡り部が容易にエッジワイズ曲げされて浮き上がることがなく、したがって磁場発生時において超電導巻線に加わる強大な電磁力にも耐える強度を有する転位超電導テープユニット、及び超電導ケーブルを得る。【解決手段】幅（Ｗ）、厚さ（ｔ）なるステンレス又はハステロイ合金のテープ表面に酸化物超電導体を蒸着した複数の超電導素線を渡り長さ（Ｌ）でテープ止めし、転位撚り合わせして転位超電導テープユニットを形成するに際して、渡り長さ（Ｌ）とテープ基材の幅（Ｗ）と厚さ（ｔ）との関係を、（Ｗ２　／Ｌｔ）≦０．３１３とする。【選択図】　　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さｔ（ｍｍ）、幅Ｗ（ｍｍ）のテープ状の超電導導体が複数本転位撚り合わさってなるテープユニットであって、テープ状の超電導導体の厚さｔ（ｍｍ）、幅Ｗ（ｍｍ）及び渡り長さＬ（ｍｍ）が下記（１）を満足する関係にあることを特徴とする転位超電導テープユニット。
（Ｗ２　／Ｌｔ）≦０．３１３・・・・・・（１）
【請求項２】
前記超電導導体がステンレス鋼もしくはハステロイ合金の表面に超電導層を具備したものであることを特徴とする請求項１に記載の転位超電導テープユニット。
【請求項３】
前記超電導層が酸化物超電導体からなることを特徴とする請求項２に記載の転位超電導テープユニット。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３に記載の転位超電導テープユニットが管体の周囲に巻回されてなることを特徴とする超電導ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テープ状の超電導導体を複数本転位撚り合わせた転位超電導テープユニット及びこれを用いた超電導ケーブルの改良に係わり、さらに詳しくは十分な超電導特性を有する上、強度を向上させた転位超電導テープユニット及びこれを用いた交流電流通電時の偏流を抑制した超電導ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導変圧器、超電導マグネット、超電導限流器等の超電導応用機器には、テープ状の超電導導体を用いた超電導ケーブルが使用されている。
従来の超電導ケーブルの例としては、ステンレス鋼などからなるパイプ状のフォーマ（管体）の周囲に超電導導体が螺旋状に巻回されて超電導導体層が複数層積層され、これら超電導導体層の間に層間絶縁層が介在されてなる超電導ケーブルが知られている。上記超電導導体は、超電導体からなるコア部の複数が銀などからなるシース材により覆われて形成されたものである。各超電導体導体層の超電導導体の巻回方向は、交互反対方向となっており、たとえばフォーマ側から第一層目の超電導体導体層の巻回方向がＳ巻（右巻）、第二層目の超電導導体層の巻回方向がＺ巻（左巻）、第三層目の超電導導体層の巻回方向がＳ巻（右巻）、第四層目の超電導導体層の巻回方向がＺ巻（左巻）となっている。
【０００３】
上記コア部をなす材料としては、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏｘ（Ｂｉ系２２１２相），Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｙ（Ｂｉ系２２２３相），Ｂｉ１．６Ｐｂ０．４Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ，Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｙ　等の組成を持つ酸化物超電導物質が用いられている。そのうち、Ｂｉ系、特に、Ｂｉ系２２２３相酸化物超電導物質が、高い臨界温度を有し安定な物質としてコア部に利用されている。上記層間絶縁層は、ポリイミドテープなどの絶縁テープを巻回して構成されたものである。このような構成の超電導ケーブルの外周には、通常、保護層が形成されて用いられる（例えば特開平１１−２０３９５９参照）。
【０００４】
従来の超電導ケーブルにおいては、交流電流を通電した場合には各々の超電導導体において、これらに流れる交流電流による自己磁場の影響によって渦電流Ｆが発生する。このとき、シース材が電気抵抗率の低いＡｇ（Ａｇでは２０℃において１．６３μΩｃｍ）等からなるために、渦電流が隣接する超電導導体のシース材に導通してしまう。その結果、超電導導体層の積層体に渦電流が横断して導通するために、超電導ケーブル全体として渦電流が支配的となり、交流損失が大きくなるという問題があった。また、上述のような構造の従来の超電導ケーブルにおいては、超電導導体層間のインダクタンスの違いにより、外側にある超電導導体層ほど電流が多く流れ、内側にある超電導導体層には電流が流れにくくなる偏流が起こるという問題があった。
【０００５】
このため、交流通電時における交流損失を低減でき、しかも偏流を防止できる超電導ケーブルを提供するために、テープ状の超電導素線の外周に素線絶縁が施されてなるテープ状の超電導導体を複数本転位撚り合わせた転位超電導テープユニットを管体の周囲に巻回してなる超電導ケーブルが提案されている（例えば特開平１１−２０３９５９参照）。上記テープ状の超電導素線は、超電導体からなるコア部または熱処理により超電導体となる材料を有するコア部が、シース材からなる基地の内部に備えられてなる超電導素線を捻ったツイスト超電導素線を平坦化したものである。
【０００６】
しかしながら、従来の転位超電導テープユニットは主として銀シース材料を使用しているため、転位撚り合わせ加工は容易であるものの引張強度が弱く、３００ＭＰａ程度で破断してしまう。
強磁場で使用する超電導マグネットは、磁場発生時において強大な電磁力が超電導巻線に加わる。このため超電導線材の強度向上を目的として、各種の開発が行われている。その一つに銀シースの高強度化が挙げられる。銀シースの高強度化は、シース材である銀に特定の元素を添加することにより行われる。この場合、如何に超電導特性を確保できるかが課題となり、未だ満足する結果が得られていない。
【０００７】
また、強度が高く、剛性も高くするためにハステロイ等の材料を基材とする超電導テープにすると、転位撚り合わせ加工が困難になるという問題がある。そこで基材に適当な柔軟性を有する材質を選択して厚さを薄くし、ポリイミド樹脂等からなる固定用テープを部分的に巻回して、転位撚りした偶数本のテープ状の超電導導体の転位撚りが崩れないように固定する構造を採用する事が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、強度が強く剛性の高い材料を転位撚り合わせ加工して転位渡り長さＬで両端にテープ止部３０を設けて拘束すると、図４に示すように転位渡り部３１がエッジワイズ曲げされずにギャップｇだけ浮き上がる場合がある。転位渡り部が浮き上がると導体等の作成途上で転位超電導テープユニットをドラムに巻いた場合、浮き上がった部分が無理にドラム面に押しつけられるためテープが折れ曲がり、破損することがある。
本発明の目的とするところは、剛性の高い基材を使用しても転位渡り部が容易にエッジワイズ曲げされて浮き上がることがなく、したがって磁場発生時において超電導巻線に加わる強大な電磁力にも耐える強度を有する超電導線材を得ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では厚さｔ（ｍｍ）、幅Ｗ（ｍｍ）のテープ状の超電導導体が複数本転位撚り合わさってなるテープユニットであって、テープ状の超電導導体の厚さｔ（ｍｍ）、幅Ｗ（ｍｍ）及び渡り長さＬ（ｍｍ）が下記（１）を満足する関係にある転位超電導テープユニットとした。
（Ｗ２　／Ｌｔ）≦０．３１３・・・・・・（１）
転位渡り部の構造を種々検討した結果、各部の寸法関係を（１）式のように設定すれば、転位渡り部が容易にエッジワイズ曲げされて浮き上がることがなくなることを見いだした。
【００１０】
本発明においては、前記超電導導体としてステンレス鋼もしくはハステロイ合金の表面に超電導層を具備させたものを利用することができる。
また、前記超電導層として酸化物超電導体からなるものを利用することができる。
ステンレス鋼もしくはハステロイ合金を使用すれば、引張強度や剛性は格段に強化され、蒸着技術を利用して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。
【００１１】
また、本発明の超電導ケーブルは、上記本発明の転位超電導テープユニットを管体の周囲に巻回して形成したものである。
このような構造の超電導ケーブルとすれば、剛性の高い材料を基材とした素線を用いているため強度の向上が図られ、磁場発生時において超電導巻線に加わる強大な電磁力にも耐える強度を有する超電導ケーブルを得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る転位超電導テープユニット及び超電導ケーブルを、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の超電導ケーブルの一実施形態を示す斜視図である。この超電導ケーブル１０は、テープ状の超電導導体１８を複数本転位撚り合わせした転位超電導テープユニット１５が、パイプ状のフォーマ（管体）１７の周囲に螺旋状に巻回されてなるものである。
【００１３】
上記転位超電導テープユニット１５は、図２に示すようにテープ状の超電導導体（超電導テープ）１８を複数本（図面では１２本）転位撚り合わせてなる長尺の帯状のものである。この転位超電導テープユニット１５では、テープ状の超電導導体１８の複数本を集合して撚り合わす際に、各テープ状の超電導導体１８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たものである。
また、上記の転位超電導テープユニット１５では、ポリイミド樹脂等からなる固定用テープを巻回したテープ止め部３０が、転位渡り部３１の両端に形成されており、転位撚りした偶数本のテープ状の超電導導体１８の転位撚りが崩れないように固定されている。
このような転位超電導テープユニット１５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。上記フォーマ１７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１７の表面は、該フォーマ１７と転位超電導テープユニット１５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１７の内部は、液体窒素等の冷却媒体の流路とされ、テープ状の超電導導体１８の冷却が行われる。
【００１４】
上記テープ状の超電導導体１８は、図３に示すようにテープ状の超電導素線１９の外周に素線絶縁として絶縁層２０が形成されてなるものである。この超電導導体１８の横断面形状は、矩形状とすることが好ましい。この超電導導体１８は、幅（Ｗ）が１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度、厚さ（Ｔ）が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲とるのが好ましい。
そしてこの超電導素線１９は、テープ状のステンレス鋼もしくはハステロイ合金からなる基材１１の表面に超電導層１２を形成したものを使用する。
上記絶縁層２０をなす絶縁材料としては、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２０の厚みとしては、０．１〜１００μｍ程度の範囲のものとされる。
【００１５】
超電導層１２となる材料としては、例えば、酸化物系超電導材料（Ｙ１２３、Ｂｉ２２２３、Ｂｉ２２１２等の酸化物系材料）、金属系超電導導材料（Ｎｂ３Ｓｎ、Ｎｂ３Ａｌ等のＡ１５型材料）ＭｇＢ２などで示される超電導材料のうちから選択された一種以上のものが用いられ、特に、ハステロイ等を基材としたＹ系酸化物超電導材料が好んで用いられる。
これら超電導材料をテープ状のステンレス鋼もしくはハステロイ合金の表面に形成するには、真空蒸着法、スパッタリング法、レーザ蒸着法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、ＣＶＤ（化学気相成長）法、ＩＶＤ（イオン気相成長）法、等の方法が利用できるが、これらの各種形成方法において、均質で超導電特性の良好な酸化物超電導層を形成できる方法として、真空プロセスを使用し、ターゲットから発生させた粒子を対向基板上に堆積させるスパッタリング法あるいはレーザ蒸着法などの物理蒸着法が好んで用いられる。
【００１６】
前記テープ状の超電導素線１９は、ハステロイ基材上に中間層及びＹＢＣＯ層を成膜したものである。このような超電導素線１９の断面形状は矩形状とすることが好ましい。所定の転位渡り長さで捻って図２に示すような転位超電導テープユニット１５を形成する。
【００１７】
ここで転位渡り長さは、１０ｍｍ〜１０００ｍｍ程度の範囲内とされるが、使用する超電導素線のテープ状基材の幅と厚さによって決められる。
例えば、表１はテープ状基材として剛性の高いＳＵＳ３０４を用い、６本撚りの転位超電導テープユニットを作成して、テープ状基材の幅（Ｗ：ｍｍ）と厚さ（ｔ：ｍｍ）及び転位渡り長さ（Ｌ：ｍｍ）を種々変化させた場合の転位渡り部の浮きの発生の有無を調べたものである。
【００１８】
【表１】
2004063225.tif 000003
【００１９】
ここで、断面のアスペクト比Ｗ／ｔが大きいほど同じ断面積でもエッジワイズ方向の断面二次モーメントが大きく、エッジワイズに曲がりにくい。また、同じテープ幅でもＷ／Ｌが大きい、つまりＬがＷに対して小さい方が同じ力でも小さいモーメントとなり、結局エッジワイズに曲がりにくい。つまり、これら２つのパラメーターＷ／ＬとＷ／ｔとの積　Ｗ２　／Ｌｔ　はエッジワイズに曲がりにくさを表す指標となり、このＷ２　／Ｌｔの値が有る値よりも小さいと、エッジワイズ曲げ可能であることを示している。
表１から（Ｗ２　／Ｌｔ）の値が０．３１３よりも小さいと、エッジワイズ曲げ可能であるといえる。すなわち、
（Ｗ２　／Ｌｔ）≦０．３１３・・・・・・（１）
が導かれる。
【００２０】
超電導ケーブルは、このようにして得られた転位超電導テープユニットの複数組（例えば、２４組）を、パイプ状のフォーマ（管体）の周囲に所定の螺旋ピッチでＺ巻あるいはＳ巻で螺旋状に巻回して形成する。ここでの螺旋ピッチとしては、１００〜２０００ｍｍ程度の範囲内とするのが好ましい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の超電導ケーブルは、捻られていない超電導素線からなるテープ状の超電導導体を用いる場合と比べて、交流通電時の交流損失を低減できる。また、超電導素線を平坦化したテープ状の超電導導体を複数本転位撚り合わせた転位渡り間で浮きの生じない転位超電導テープユニットを用いたことにより、この転位超電導テープユニットを構成する各テープ状の超電導導体がその長尺方向において順次その位置を代えて変位しており、すなわち各テープ状の超電導導体が転位超電導テープユニットの最内側（フォーマ側）位置から最外側位置まで繰り返して経由しながら超電導ケーブルの長さ方向に延在しているので、各テープ状の超電導導体を流れる電流の値と自己磁場から受ける影響との均等化を図ることができる。各テープ状の超電導導体１８において流れる電流と自己磁場から受ける影響とが等しいため、交流通電時の偏流を防止でき、内側に位置するテープ状の超電導導体にも外側に位置するテープ状の超電導導体と略同量の電流を流すことができ、よって臨界電流密度を増大でき、超電導ケーブルの大容量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超電導ケーブルの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の転位超電導テープユニットの一実施形態を示す斜視図である。
【図３】図２の線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【図４】転位超電導テープユニットの浮き上がりの状態を説明する図である。
【符号の説明】
１０・・・超電導ケーブル、１１・・・基材、１２・・・超電導層、１５・・・転位超電導テープユニット、１７・・・フォーマ（管体）、１８・・・テープ状の超電導導体（超電導テープ）、１９・・・テープ状の超電導素線、２０・・・絶縁層、３０・・・テープ止め部、３１・・・転位渡り部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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