(57)【要約】【課題】コイル巻きの過程で生じる素線間のズレに起因した歪の影響による超電導特性の低下を抑制できる、転位セグメント及び超電導応用機器を提供する。【解決手段】本発明に係る転位セグメント１０は、テープ状の素線２０を複数本、転位撚り合わせてなり、各転位渡り部５１はこれを結束する保形用テープ４０により複数箇所で保形されている転位セグメントにおいて、転位セグメント１０を巻き付けるために用いる円筒体の中心から転位セグメント１０の中立軸までの半径をｒ、保形用テープ４０を設ける間隔をｌ、テープ状の素線２０の厚さをｔ、前記転位撚り合わせた素線２０の本数をｎ、転位渡り部５１の長さをＬ、正の整数をｍと定義した場合、ｎ＝４ｍのときは、前記間隔ｌが（２π２ｎ２ｔｒＬ）１／３  以上であり、ｎ＝４ｍ＋２のときは、前記間隔ｌが｛２π２（ｎ２＋４）ｔｒＬ｝１／３  以上である、ことを特徴としている。【選択図】      図１
2004265710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の素線を複数本、転位撚り合わせてなり、各転位渡り部はこれを結束する保形用テープにより複数箇所で保形されている転位セグメントにおいて、
前記転位セグメントを巻き付けるために用いる円筒体の中心から該転位セグメントの中立軸までの半径をｒ、前記保形用テープを設ける間隔をｌ、前記テープ状の素線の厚さをｔ、前記転位撚り合わせた素線の本数をｎ、前記転位渡り部の長さをＬ、正の整数をｍと定義した場合、
ｎ＝４ｍのときは、
前記間隔ｌが（２π２ｎ２ｔｒＬ）１／３  以上であり、
ｎ＝４ｍ＋２のときは、
前記間隔ｌが｛２π２（ｎ２＋４）ｔｒＬ｝１／３  以上である、
ことを特徴とする転位セグメント。
【請求項２】
前記素線は金属基材上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に記載の転位セグメント。
【請求項３】
前記超電導層が酸化物超伝導体からなることを特徴とする請求項２に記載の転位セグメント。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の転位セグメントを用いたことを特徴とする超電導応用機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テープ状の素線を複数本転位撚り合わせた転位セグメント及び超電導応用機器の改良に係わり、さらに詳しくはコイル等を製造する際に、前記転位セグメントを円筒体に巻き付ける過程で生じる、素線間のズレによる歪（ｓｌａｃｋ  歪）の最大限界値を、コイル巻き時の曲げ歪より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８に示すように、例えば複数本のテープ状の素線４１６を転位撚り合わせした転位撚線４２５は、特定の素線４１６が、隣接する他の素線４１６の上に向かって渡る転位部（以下、転位渡り部と呼ぶ）４２０を形成している。例えば素線４１６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４１６の幅を２ｍｍ程度とすれば、転位渡り部４２０の長さＰを１００ｍｍ程度に設定できる。
【０００５】
しかし、例えば、超電導ケーブルなどに用いられる超電導性を示す線材では、素線の材料としてＢｉ系超電導線材などが多用されているが、このＢｉ線材は電流密度が低いので、シース材に銀を用いているため強度が低いという短所があった。しかも、液体窒素温度では、磁場中で特定が低下する傾向も見られた。
【０００６】
そこで、Ｂｉ系超電導線材に代えてＹ系超電導線材を用いて転位セグメントを作製し、この転位セグメントでコイルを製造し、液体窒素温度で使用可能な超電導マグネットなどの超電導機器に用いることが検討されている。
【０００７】
ところが、現在作製されているＹ系線材は、素線４１６の幅が１０ｍｍ程度で、その厚さが０．１ｍｍ程度のものが主流である。したがって、素線４１６の幅に応じて、転位渡り長すなわち転位部１０３の長さＰを長めに設定する必要があった。
【０００８】
しかしながら、転位渡り長が２５０ｍｍを越えると転位セグメント内で隣接するテープ状の素線４１６は、図９（ａ）に示すように各素線同士が重なったり、図９（ｂ）に示すように隙間が開きすぎてしまい、転位セグメントの形状が崩れやすくなるため、これを抑制あるいは防止する対策の開発が望まれていた。特に、転位渡り部で素線が盛り上がったり意図しない方向に屈曲すると、形状の維持が不可能になるばかりでなく、抵抗値の増加や導通不良など転位撚線の特性劣化が懸念される。
【０００９】
この問題の対策を施したものとしては、例えば保形用テープで保形した結束部を有する転位セグメントが挙げられる。図１０は非転位渡り部に１つの結束部を設ける例である。
【００１０】
図１０（ａ）は転位セグメント５００の斜視図であり、６本のテープ状の素線５１０を転位撚り合わせした構成からなり、非転位渡り部５３０は保形用テープ５４０で保形された結束部を１箇所配置され、転位渡り部５２０には保形用テープを設けない場合を示す。図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＸ−Ｘ’部分における断面図、すなわち転位渡り部５２０の断面構造であり、この部分には保形用テープを設けていない様子を示している。
【００１１】
図１０に示すように、転位渡り部や非転位渡り部を設けることにより、転位セグメントの形状崩れはかなり防止することができる。しかしながら、転位セグメントを円筒形のドラムに巻き付ける場合、特にそのドラム径が小さな場合には、転位セグメントの形状崩れの問題が再度、顕在化することが分かった。
【００１２】
図１１に示すように、一定間隔で保形用テープ７３１が巻き付けられた転位セグメント７１５を、ある曲げ径のドラム７３２に巻き付けると、転位セグメント７１５の繰り出し方向に素線の緩み７３３が現れる。この素線の緩み７３３は転位セグメント７１５の曲げ歪の負荷に相当するため、緩み７３３が最大となるときの歪の量を把握することが大切である。
【００１３】
換言すると、転位セグメントをドラムに巻き取る場合やコイル巻きする場合、転位セグメントの中立軸より上部に位置する素線は大きな径で巻き取られるのに対して、下部に位置する素線は小さな径で巻き取られることになり、その結果、転位セグメント内の素線間にはズレが発生する。このズレはドラム巻きやコイル巻きを行ったとき、転位セグメントの緩み（ｓｌａｃｋ）  となって現れる。
【００１４】
そこで、転位撚線をある曲げ径のドラムに巻きつけた時の転位撚線の挙動、すなわち上記ズレと緩みについて考察したところ、図１１の結果が得られることがわかった。
【００１５】
図１１に示すように、素線の緩み７３３は転位セグメント７１５の曲げ歪の負荷に相当するため、緩み３３が最大となったときの歪の量を調査した。その際、図１２に示すように、転位セグメント７１５のモデルとして素線６本を撚り合わせた構造を採用した。また、転位渡り部の長さＰ、各素線の厚みｔからなる転位セグメント７１５の転位渡り部が、転位セグメントを巻き付けるために用いる円筒体（以下、ドラムとも呼ぶ）の中心から該転位セグメントの中立軸αまでの半径がｒとなるように設定されたドラムに巻かれた状態を想定した。
【００１６】
このモデルでは、転位の過程で積層する素線の層数が最大になるのは４層であると考えられる。この場合、曲げ負荷時における転位渡り部の中立軸αは２層目と３層目の素線間に存在しており、１つの転位渡り部あたりの中立軸αと最上層の素線とのズレは（３ｔＰ）／（２ｒ）で表される。転位セグメント７１５を半径ｒのドラムに巻き付けた場合、素線が転位渡り部の最上層を経る時に、この長さ分だけ繰り出し方向にズレることになる。
【００１７】
図１３に示すような転位セグメント７１５の配置を想定して、各位置における中立軸αとのズレをｔＰ／ｒで規格化すると、表１に示すように表すことができる。
【００１８】
【表１】
2004265710.tif 000003
【００１９】
表１におけるマイナス値は、巻き取り方向へのズレを、プラス値は繰り出し方向へのズレをそれぞれ示している。６本撚りの転位セグメントを構成する、ある１本の素線に着目すると、この素線は転位渡り部を６回経ることで最初の位置に戻る。いま、図１３に示したような、ある地点でＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの位置にある６本の素線を例にとると、それぞれの素線が６回転位部を経るにつれて、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの位置を順次経由してこれを繰り返すことが明らかとなった。
【００２０】
したがって転位渡り部に生じる歪は、転位渡り部の長さが長くなるほど顕著に大きくなる。また、ドラムの曲げ半径が小さくなるほど転位渡り部に生じる歪は顕著に大きくなる。
【００２１】
近年、超電導材料など剛性の高い素線から構成された高剛性の転位撚線を、曲げ半径の小さいドラムに巻きつける事例が多くなりつつある。こうした高剛性の転位撚線は転位部の長さを長く設定する必要があるため、曲げ半径の小さいドラムに巻きつけると転位部に生じる歪は更に大きくなる。
【００２２】
特に、転位撚線を構成する複数の線材をポリイミドテープなど絶縁テープでスパイラル状に束ねて、転位部の耐圧特性の向上を図っている場合、この転位部で線材が盛り上がったり意図しない方向に屈曲してしまい、形状の維持が不可能になるばかりでなく、抵抗値の増加や導通不良など転位撚線の特性劣化が懸念される。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（ｓｌａｃｋ）  の影響による、超電導特性の低下を抑制することが可能な、転位セグメント及び超電導応用機器を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る転位セグメントは、
テープ状の素線を複数本、転位撚り合わせてなり、各転位渡り部はこれを結束する保形用テープにより複数箇所で保形されている転位セグメントにおいて、
前記転位セグメントを巻き付けるために用いる円筒体の中心から該転位セグメントの中立軸までの半径をｒ、前記保形用テープを設ける間隔をｌ、前記テープ状の素線の厚さをｔ、前記転位撚り合わせた素線の本数をｎ、前記転位渡り部の長さをＬ、正の整数をｍと定義した場合、
ｎ＝４ｍのときは、
前記間隔ｌが（２π２ｎ２ｔｒＬ）１／３  以上であり、
ｎ＝４ｍ＋２のときは、
前記間隔ｌが｛２π２（ｎ２＋４）ｔｒＬ｝１／３  以上である、
ことを特徴としている。
【００２５】
なお、本明細書において「転位渡り部」とは、転位セグメントの長尺方向に対して非平行方向に延在し位置が転位されている素線が存在する部分を意味する。
【００２６】
かかる構成によれば、各転位渡り部を結束する保形用テープの間隔ｌを、転位撚り合わせた素線の本数ｎに応じて、特定の関係式、すなわち、ｎが４ｍで表記される場合は、間隔ｌ≧（２π２ｎ２ｔｒＬ）１／３  という関係式、またｎが（４ｍ＋２）で表記される場合は、間隔ｌ≧｛２π２（ｎ２＋４）ｔｒＬ｝１／３  という関係式、がそれぞれ成り立つように設定することにより、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（ｓｌａｃｋ）  の影響による、超電導特性の低下を抑制することが可能となる。ここで、超電導特性の低下とは、交流電流通電時の交流損失の低減や、偏流の発生を意味する。
【００２７】
本発明においては、前記素線として金属基材上に超電導層を具備させたものを利用することができる。
本発明に係る転位超電導テープユニットでは、上述した関係式で示される間隔ｌで保形用テープを設けたので、従来のように基材に適当な柔軟性を有する材質のものを敢えて選択する必要は無くなる。したがって、転位撚り合わせ加工が難しいが、強度が高く剛性も高い金属基材を利用することが可能となる。特に、金属基材として、例えばステンレス鋼やハステロイ合金を使用すれば、引張強度や剛性を格段に強化できるのでより好ましい。
【００２８】
また、本発明に係る超電導層としては、酸化物超電導体からなるものを利用することができる。
本発明に係る転位超電導テープユニットにおいては、上記金属基材を用いることができるので、蒸着技術を利用して金属基材の表面に高性能の酸化物超電導体層を形成することも容易だからである。
【００２９】
本発明に係る超電導応用機器は、上述した本発明の転位セグメントを用いて構成されたものである。超電導応用機器としては、例えば、超電導ケーブルや、超電導変圧器、超電導マグネット、超電導限流器等が具体的に挙げられる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る転位セグメントにおける保形用テープを設ける間隔ｌの設定条件に関して詳述する前に、まず転位セグメントの一実施形態について、図１および図２を参照してその全体構成を説明する。
【００３１】
図１は本発明に係る転位セグメントの一実施形態を示す斜視図である。図２は図１に示した転位セグメントの断面図であり、（ａ）及び（ｂ）はＡ−Ａ’部分、（ｃ）はＢ−Ｂ’部分、（ｄ）Ｃ−Ｃ’部分をそれぞれ表す。なお、（ａ）は後述する保形用テープを巻き付けていない状態を示し、（ｂ）〜（ｄ）は保形用テープを巻き付けた状態を示す図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施形態の転位セグメント１０は、６本のテープ状の素線２０を、各素線２０がその長尺方向において順次その位置を代えて変位するように転位撚り合わせ、所定間隔毎に保形用テープによって結束したものである。
【００３３】
本実施形態では、隣り合う転位渡り部５１の間に位置する各非転位渡り部５２には保形テープ４５によって保形された結束部６１が設けられていると共に、各転位渡り部５１にはこれを結束する保形用テープ４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）によって保形された結束部６０を複数箇所設けた場合を示す。
【００３４】
素線２０としては、図２に示すようにテープ状の平角断面を備えた素線であれば、いかなる材料の素線であっても構わないが、好適には金属基板２０ｓ上に中間層２０ｔを介して高温超電導材料２０ｒが形成された超電導素線２１が用いられ、その断面形状としては矩形状が望ましい。
【００３５】
図１および図２における素線２０は、特に、ハステロイ等の金属基板２０ｓ上にイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）中間層２０ｔを介してＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（Ｙ１２３）が成膜された酸化物超電導材料などの高温超電導材料２０ｒを設けてなるテープ状の超電導素線２１を用いた場合を示している。
【００３６】
なお、テープ状の超電導素線２１としては、この形態の他に、断面視円形状の超電導多心素線（超電導素線）が圧延加工等により平坦化されたものを採用しても構わない。ここで、超電導多心素線とは、超電導フィラメントなどの超電導体又は熱処理により超電導体となる材料からなる複数のコア部がＡｇ、Ｐｔ、Ａｕ等のシース材からなる基地の内部に備えられたものを意味する。
【００３７】
コア部を構成する超電導体あるいは熱処理により超電導体となる材料としては、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が挙げられる。また、素線として、Ｎｂ３Ｓｎ、Ｎｂ３Ａｌなどで示される組成をもつ低温超電導材料を例示することができる。これらは１種を単独で用いても良いし、複数種を併用しても良い。
【００３８】
高抵抗化膜２２は、基地を構成するシース材の硫化物（例えば、硫化銀等）からなり、基地を構成するシース材よりも電気抵抗率が高くなるように構成されている。また、高抵抗化膜２２を紫外線硬化型樹脂被膜により構成することもできる。
【００３９】
［テープ線に加わる曲げ歪］
本発明に係るテープ状の素線（以下、テープ線と略称する）を、巻き取ったり（巻取工程）あるいはコイルに巻き付けたり（コイル巻工程）する際に、転位セグメント内のテープ線に、ある高さｙの浮き上がり（ｓｌａｃｋ）  が発生した場合を想定し、テープ線に加わる曲げ歪を検討した結果について述べる。この検討では、ｓｌａｃｋ  の形状は三角関数により近似できると仮定した。
【００４０】
転位セグメントを結束するための保形用テープの間隔をｌ、浮き上がり高さのピーク値をｈとすると、保形用テープの片端位置を０として位置ｘにおける高さｙは（１）式で表記される。
【００４１】
【数１】
2004265710.tif 000004
【００４２】
上記（１）式で表される曲線における曲率半径Ｒは（２）式で表記される。
【００４３】
【数２】
2004265710.tif 000005
【００４４】
ここで、素線の厚さをｔとすると、テープ線に加わる曲げ歪は（３）式で表記される。
【００４５】
【数３】
2004265710.tif 000006
【００４６】
したがって、歪は浮き上がり中央付近で最大となりその値は（４）式で表記される。
【００４７】
【数４】
2004265710.tif 000007
【００４８】
このモデルを検証するため、浮き上がり（ｓｌａｃｋ）  の頂上に歪ゲージを装着して、テープの浮き上がり高さ（ｓｌａｃｋ高さ：ｙ）  とテープに加わる歪量（ε）を測定した。
試験に用いたサンプルは、ＳＵＳ  テープ基材、サイズ０．２ｍｍｘ２．０ｍｍ、転位渡り長４００ｍｍ、結束用のテープ間隔９５ｍｍのセグメントである。
【００４９】
図３は、テープ線の浮き上がり高さ（ｓｌａｃｋ高さ：ｙ）  と加わる歪量（ε）との関係を示すグラフである。図３に示した直線は、上述したモデルに基づき計算した結果を示している。図３におけるプロット（■印、◆印）は、上記サンプルで実測した結果を示している。
【００５０】
図３から明らかなように、実測値を表す各プロットは、上記モデルの計算結果を示す直線あるいはその付近に沿った位置にあることから、計算と実測はよく一致していることが分かる。この結果より、浮き上がり部の形状を三角関数として近似すると仮定した上記モデルは、浮き上がり部の解析に有効な手段であると判断できる。
【００５１】
［曲げ負荷時のテープ線ズレと浮き上がり高さの関係］
以下では、曲げ負荷時におけるセグメント内のテープ線ズレからセグメントのｓｌａｃｋ  高さを求めるため、テープ線のズレと  ｓｌａｃｋ高さの関係について述べる。
【００５２】
転位渡り長Ｌの１渡りピッチ分を考える。この１渡りピッチ分に配されている素線（線材）のうち、最も前方にズレているものと最も後方にズレているものとの差分をδと定義する。
【００５３】
この差分δが、保形用テープを設ける間隔ｌの間に集中することによって、テープ線の浮き上がり（ｓｌａｃｋ）  が生じると仮定した。この場合、テープ線を抑える働きをする保形用テープ間に存在する実際のテープ線の長さは、ｌとδの和となり、（ｌ＋δ）の形で表すことができる。
【００５４】
一方、このｓｌａｃｋ  高さをｈとし、浮き上がり部の軌線形状を三角関数として近似すると、この浮き上がり部の軌線長さは、（５）式で表記することができる。
【００５５】
【数５】
2004265710.tif 000008
【００５６】
ここで、ｈπ／ｌ≪１とすると、上記（５）式は（６）式に変形される。
【００５７】
【数６】
2004265710.tif 000009
【００５８】
よって、（ｌ＋δ）は（７）式で表記できる。
【００５９】
【数７】
2004265710.tif 000010
【００６０】
ここで、ｌは（８）式で置換できる。
【００６１】
【数８】
2004265710.tif 000011
【００６２】
よって、差分δは（９）式で表記できる。
【００６３】
【数９】
2004265710.tif 000012
【００６４】
上記（９）式を変形することにより、浮き上がり高さのピーク値ｈは（１０）式となる。
【００６５】
【数１０】
2004265710.tif 000013
【００６６】
また、テープに加わる歪量（ε）「の最大値」は（１１）式で表記される。
【００６７】
【数１１】
2004265710.tif 000014
【００６８】
［差分δおよび浮き上がり（ｓｌａｃｋ）  歪の最大値］
転位セグメントの曲げ途中で生じるセグメント内のテープズレ、すなわち、前述したように転位渡り長Ｌの１渡りピッチ分を考えたとき、この１渡りピッチ分に配されている素線（線材）のうち、最も前方にズレているものと最も後方にズレているものとの差分δについて述べる。
【００６９】
セグメントのズレは、素線（線材）が上部のみを経験して累積した場合、最も後方にずれ、下部のみ経験した場合は最も前方にずれる傾向にある。したがって、これら２つの素線（線材）のズレが最大の差分δを生む。
【００７０】
ゆえに、セグメントの中立軸に対しての曲率半径をｒとし、テープ線材の厚さをｔ、転位渡り長をＬ、セグメントの撚り本数を奇数のみとするセグメントの撚り本数をｎ、正の整数をｍとすると、
テープ線間の最大のズレすなわち差分δの最大値は、ｎ＝４ｍのとき（１２）式で表記される。
【００７１】
【数１２】
2004265710.tif 000015
【００７２】
また、ｎ＝４ｍ＋２のとき、差分δの最大値は（１３）式で表記される。
【００７３】
【数１３】
2004265710.tif 000016
【００７４】
したがって、浮き上がり（ｓｌａｃｋ）  歪の最大限界値は、セグメント内におけるテープ線間の最大のズレすなわち差分δの最大値を、（１１）式で示したｓｌａｃｋ  歪の関係式に代入することにより求まり、ｎ＝４ｍのとき（１４）式で表記される。
【００７５】
【数１４】
2004265710.tif 000017
【００７６】
また、ｎ＝４ｍ＋２のとき、浮き上がり（ｓｌａｃｋ）  歪の最大限界値は、（１５）式で表記される。
【００７７】
【数１５】
2004265710.tif 000018
【００７８】
これらのｓｌａｃｋ  歪の最大値は、テープ線が１回転する１ピッチの内に１回だけ生じる値であり、しかも１箇所の抑えテープ間に集中する場合を仮定して計算した値であることから、実際の場合より大きく見積もっていると考えられている。
【００７９】
［コイル巻きにおける転位セグメントの保形用テープの間隔］
セグメント中立軸までの半径をｒ、コイル（巻胴の半径）をｒ’、テープ線の厚さをｔとした場合、巻胴に接するテープ線について曲げ半径ｒによる歪量を厳密に計算すると、（１６）式となる。
【００８０】
【数１６】
2004265710.tif 000019
【００８１】
ここで、テープ線の厚さｔが、曲げ半径すなわちコイル（巻胴の半径）ｒ’より十分小さいと仮定すると、３ｔ≪２ｒという関係になるので、曲げ半径ｒによる歪量は（１７）式で表記される。
【００８２】
【数１７】
2004265710.tif 000020
【００８３】
セグメントをコイルに巻く場合、コンパクト化するために曲げ半径ｒを可能な限り小さくした場合、コイル巻き時の曲げ歪だけでなく、上述したｓｌａｃｋ  歪を考慮する必要がある。
【００８４】
コイル巻き時の曲げ歪を許容しうる最大限の歪をεｃｏｉｌとすると、先に求めたｓｌａｃｋ  歪の最大限界値εｍａｘ  は、巻いた際に生じる曲げ歪より小さくなる必要があるので、εｍａｘ  とεｃｏｉｌとの間には、（１８）式で表記される関係が成り立つ必要がある。
【００８５】
【数１８】
2004265710.tif 000021
【００８６】
したがって、保形用テープを設ける間隔ｌは、超電導テープの厚さ（テープ厚）ｔ、転位超電導テープユニットを巻き付ける円筒体の半径（コイル巻き時の曲げ半径）ｒ、転位渡り部の長さ（転位渡り長）Ｌ、転位撚り合わせた素線の本数（転位撚り本数）ｎを用いると、ｎ＝４ｍのとき、（１９）式で表記される関係を満たす必要がある。ここで、ｍは正の整数である。
【００８７】
【数１９】
2004265710.tif 000022
【００８８】
同様に、ｎ＝４ｍのとき、保形用テープを設ける間隔ｌは、（２０）式で表記される関係を満たすことが求められる。
【００８９】
【数２０】
2004265710.tif 000023
【００９０】
つまり、上記（１９）式あるいは（２０）式で示すように、保形用のテープまたはラベルの間隔を調整して設けることにより、コイル巻き過程で生じるテープ線をなす素線間のズレによる歪（ｓｌａｃｋ  歪）によって、超電導特性の低下を抑制できる。
【００９１】
（結束部の構造）
以下、複数本の素線を保形用テープで結束した部分（結束部と略称する）の構造について詳述する。
【００９２】
上述した（１９）式や（２０）式で表される保形用テープを設ける間隔ｌの設定条件を効果的に利用するためには、結束部の構成は次に示す点を満たすことが望ましい。
【００９３】
（１）非転位渡り部５２
図１に示すように、非転位渡り部５２の結束部６１では、転位セグメント１０は、非転位渡り部５２を構成するすべての超電導テープ２０の周囲に少なくとも１周巻回された１本の保形用テープ４５により結束されているが、巻終わり側の端部が保形用テープ４５の他の部分に粘着剤を介して貼着固定され、保形用テープ４５と超電導テープ２０とは貼着されていないように設ける。
【００９４】
（２）転位渡り部５１
転位渡り部５１の結束部６０は、以下に述べる構造が好ましい。
テープ状の平角断面を備えた素線２０が６本、転位撚り合わされた転位セグメント１０では、図１及び図２に示すように、各転位渡り部５１は、転位セグメント１０の長尺方向に対して平行方向に延在し位置が転位されていない４本の素線２０が束ねられた素線群３０Ａと、転位セグメント１０の長尺方向に対して非平行方向に延在し位置が転位されている一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂとからなっている。
【００９５】
図２（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示すように、一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂは、超電導素線群３０Ａをその上下から挟むように、素線群３０Ａの外方に配置されている。なお、図２（ｃ）、（ｂ）及び（ｄ）は、一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂが撚られた度合いの異なる箇所、すなわち図１におけるＢ−Ｂ’部分、Ａ−Ａ’部分及びＣ−Ｃ’部分を表している。
【００９６】
さらに、素線群３０Ａは、素線２０が厚み方向に２本積層された２つの素線積層体３０Ｂ、３０Ｃが、転位セグメント１０の幅方向に並列配置されたものであり、別の表現をすれば、幅方向に並列して配置された一対の素線２０Ｃ、２０Ｄが厚み方向に２層積み重ねられたものである。
【００９７】
なお、６本の素線が転位撚り合わされた転位セグメントに限らず、４以上の偶数本の素線が転位撚り合わされた転位セグメントであれば、転位渡り部の構造は同様である。但し、４本の素線が転位撚り合わされた転位セグメントでは、位置が転位されていない複数の素線からなる素線群は、２つの素線積層体の代わりに、転位セグメントの幅方向に並列する２つの素線によって構成される。
【００９８】
図２（ｂ）に示すように、転位セグメント１０は各結束部６０において複数の保形用テープ４０（４０Ａ〜４０Ｃ）によって結束されている。すなわち、素線群３０Ａは保形用テープ（第１の保形用テープ）４０Ａにより結束され、素線群３０Ａを挟んで配置された一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂは各々、保形用テープ４０Ａの外部に係止された保形用テープ（第２の保形用テープ）４０Ｂ、４０Ｃによって超電導テープ群３０Ａに拘束されている。
【００９９】
より詳細には、素線群３０Ａを結束する保形用テープ４０Ａは、素線群３０Ａを構成する２つの素線積層体３０Ｂ、３０Ｃ間の下端部を始点とし、素線積層体３０Ｂ、３０Ｃ間を通って上方に導かれ、素線群３０Ａの周囲に導出されている。さらに、素線群３０Ａの周囲に少なくとも一部が重なるように少なくとも一周巻回されており、保形用テープ４０Ａの巻終わり側の端部が保形用テープ４０Ａの他の部分（巻終わり側の端部の下側に重なって配設された部分）に粘着剤４１を介して貼着固定されている。
【０１００】
なお、図示したように、素線群３０Ａの周囲に導出された保形用テープ４０Ａは、素線群３０Ａと一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂとの間を通るように巻回されている。また、粘着剤４１は、素線群３０Ａを結束する前にあらかじめ保形用テープ４０Ａの一端部（巻終わり側の端部）の一方の面に塗布されていたものである。
【０１０１】
一方、図２（ｂ）において、素線群３０Ａの上側に配置された転位素線２０Ａを素線群３０Ａに拘束するための保形用テープ４０Ｂは、転位素線２０Ａの上面（素線群３０Ａ側と反対側の面）と両側面に沿って配設されている。さらに、保形用テープ４０Ｂは、転位素線２０Ａの両側面の下端部より両側方に延びるように配設されており、これらの部分が粘着剤４２を介して素線群３０Ａを結束する保形用テープ４０Ａの上面側に貼着されている。
【０１０２】
同様に、図２（ｂ）において、素線群３０Ａの下側に配置された転位素線２０Ｂを素線群３０Ａに結束するための保形用テープ４０Ｃは、転位素線２０Ｂの下面（素線群３０Ａ側と反対側の面）と両側面に沿って配設されている。さらに、保形用テープ４０Ｃは、転位素線２０Ｂの両側面の上端部より両側方に延びるように配設されており、これらの部分が粘着剤４３を介して素線群３０Ａを結束する保形用テープ４０Ａの下面側に貼着されている。
なお、粘着剤４２、４３は、あらかじめ保形用テープ４０Ｂ、４０Ｃの両端部の一方の面に塗布されていたものである。
【０１０３】
本実施形態に係る保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５の材質としては、ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製のカプトン（商品名）等のポリイミドテープ、ポリプロピレンテープ、ポリエステルテープ等を例示することができる。
【０１０４】
本実施形態の転位セグメント１０によれば、各転位渡り部５１に、複数の保形用テープ４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）により結束された結束部６０を複数箇所設ける構成としたので、各転位渡り部５１の素線２０の動きを、より効果的に拘束することができる。その結果、転位渡り長（転位渡り部５１の長さ）にかかわらず、転位渡り部５１の構造、すなわち転位撚り構造を良好に保持することができる。
【０１０５】
また、本実施形態では、結束部６０において、転位セグメント１０を構成する複数の素線２０を、その延在方向によって分けて結束する構成を採用した。すなわち、転位セグメント１０の長尺方向に対して平行方向に延在する複数の素線２０からなる素線群３０Ａと、該素線群３０Ａを挟んで配置され、転位セグメント１０の長尺方向に対して非平行方向に延在する一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂとに分けて結束する構成を採用した。
【０１０６】
ここで、転位渡り部５１において、素線群３０Ａは、幅方向に並列して配置された一対の素線２０Ｃ、２０Ｄが厚み方向に積み重ねられた構成になっているので、素線群３０Ａの周囲に保形用テープ４０Ａを巻き付けることにより、素線群３０Ａを良好に拘束することができ、その形態を良好に保持することが可能となる。
【０１０７】
特に、本実施形態では、保形用テープ４０Ａの一部を、素線群３０Ａを構成する２つの素線積層体３０Ｂ、３０Ｃ間に介在させる構成を採用したので、幅方向に並列して配置される一対の素線２０Ｃ、２０Ｄを隔離すると共に、素線積層体３０Ｂ、３０Ｃに対する締結力を増すことができ、幅方向に並列して配置される一対の素線２０Ｃ、２０Ｄが部分的に重なったり、これらの間に過剰な隙間が形成されるなどの形態変化を抑制し、形態を良好に保持することができる。
【０１０８】
また、素線群３０Ａを挟んで配置された一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂについては、別の保形用テープ４０Ｂ、４０Ｃを用いて素線群３０Ａに拘束する構成としたので、これらについても良好に拘束することができる。
【０１０９】
特に、本実施形態では保形用テープ４０Ｂ、４０Ｃを、転位素線２０Ａ、２０Ｂの素線群３０Ａ側と反対側の面と両側面に沿って配設すると共に、転位素線２０Ａ、２０Ｂの両側面より両側方に延びるように配設し、両側面より両側方に延びるように配設した部分を粘着剤４２を介して素線群３０Ａを結束する保形用テープ４０Ａに貼着固定する構成を採用したので、転位素線２０Ａ、２０Ｂの長尺方向の動きを阻害することなく、幅方向の動きを拘束することとなり、より好適である。
【０１１０】
なお、本実施形態では、素線群３０Ａを１個の保形用テープ４０Ａにより結束し、一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂを各々保形用テープ４０Ｂ、４０Ｃにより素線群３０Ａに結束する構成としたが、用いる保形用テープの個数や、結束構造については適宜設計可能である。例えば、素線群３０Ａを複数の保形用テープにより結束し、一対の転位素線２０Ａ、２０Ｂを同一の保形用テープにより結束する構成としても良い。
【０１１１】
また、上述したように、本実施形態では、各転位渡り部５１の素線２０の動きを拘束することができるので、曲げ歪みが印加されても、転位撚り構造を良好に保持することができる。
【０１１２】
さらに、本実施形態では、結束部６０、６１において、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５と素線２０とは貼着せず、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５の一部をそれ自身の他の部分若しくは他の保形用テープに貼着する構成を採用した。この構成よれば、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５が転位セグメント１０から離脱することを防止しつつ、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５と素線２０とは固着せず、各素線２０がその長尺方向に拘束されないように配置可能となると共に、各素線２０がその幅方向にも多少は可動するように自由度を設けることができる。
【０１１３】
したがって、転位セグメント１０に曲げ歪みが印加された際には、各素線２０が応力を緩和するように変形や移動することができ、各素線２０にかかる曲げ歪みを緩和することができる。その結果、保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５による転位撚り構造の保持と、曲げ歪みの緩和の双方が相俟って、曲げ歪みに起因する転位撚り構造の乱れを効率よく抑制することが可能となる。
【０１１４】
なお、本実施形態では、各保形用テープ４０Ａ〜４０Ｃ、４５をそれ自身の他の部分又は他の保形用テープに粘着剤を介して貼着固定する構成を採用したが、粘着剤の代わりに、接着剤を用いても構わない。また、粘着剤等を介在させることなく、テープ自身を融着させても同様の作用・効果が得られることは言うまでもない。
【０１１５】
以上の説明においては、各転位渡り部５１、各非転位渡り部５２に１箇所ずつ結束部６０、６１を設ける構成の例について詳述したが、転位渡り長さ等に応じて、各転位渡り部５１、各非転位渡り部５２に複数の結束部６０、６１を設ける構成としても良い。
【０１１６】
すなわち、本発明に係る転位セグメントの特徴として前述したように、テープ状の素線を複数本、転位撚り合わせてなり、各転位渡り部はこれを結束する保形用テープにより複数箇所で保形されている転位セグメントにおいて、
前記転位セグメントを巻き付けるために用いる円筒体の中心から該転位セグメントの中立軸までの半径をｒ、前記保形用テープを設ける間隔をｌ、前記テープ状の素線の厚さをｔ、前記転位撚り合わせた素線の本数をｎ、前記転位渡り部の長さをＬ、正の整数をｍと定義した場合、
ｎ＝４ｍのときは、
前記間隔ｌが（２π２ｎ２ｔｒＬ）１／３  以上となる関係式が、
ｎ＝４ｍ＋２のときは、
前記間隔ｌが｛２π２（ｎ２＋４）ｔｒＬ｝１／３  以上となる関係式が、
それぞれ成り立つように設定することにより、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（ｓｌａｃｋ）  の影響を著しく抑制できる。
【０１１７】
したがって、かかる構成の転位セグメント１０を用い、後述する各種の超電導応用機器を作製することにより、優れた超電導特性、すなわち交流電流通電時の交流損失が低減され、偏流が抑制された、良好な特性を備えた超電導応用機器の提供を可能とする。
【０１１８】
［超電導応用機器］
次に、上述した本発明に係る転位セグメントを用いた超電導応用機器の実施形態について説明する。
【０１１９】
（超電導ケーブル）
図４は、超電導ケーブルの一実施形態を示す斜視図である。
本実施形態の超電導ケーブル１７０は、交流電流通電時において偏流を抑制した構造を有するもので、パイプ状のフォーマ（管体）１７７の周囲に上記の転位セグメント１０が螺旋状に巻回されて複数の超電導体層１８４が積層され、これら超電導体層１８４、１８４間に絶縁テープ等からなる層間絶縁層１８５が形成されたものである。また、超電導ケーブル１７０の外側には、図示しない半導体層、絶縁層、保護層、断熱層、防食層などが必要に応じて形成されて使用される。
【０１２０】
フォーマ１７７はステンレス鋼などからなり、その表面にはフォーマ１７７と転位セグメント１０との間の通電を抑制するため絶縁処理が施されている。また、内部の空洞は液体窒素等の冷却媒体の流路として用いられ、転位セグメント１０を構成する複数の素線２０の冷却が行われるようになっている。
【０１２１】
（超電導マグネット）
図５は、超電導マグネットの一実施形態を示す斜視図である。
本実施形態の超電導マグネット２９０は、巻胴２９１と一対の鍔板２９２とを具備してなる巻枠２９３に、上記の転位セグメント１０が巻き付けられたものである。そして、転位セグメント１０の端未部２９５ａは鍔板２９２の周縁部に形成された切り欠き状の通過孔２９２ａを介して鍔板２９２の外部に引き出され、この通過孔２９２ａを通過する転位セグメント１０の引出部の手前部分２９５ｂが、鍔板２９２の外周縁部に固定された補強板２９７により覆われている。
【０１２２】
（超電導変圧器）
図６は、超電導変圧器の一実施形態を示す斜視図である。図７は、図６のＤ−Ｄ’部分における断面図である。
本実施形態の超電導変圧器３００は、円筒型の巻胴３０２ａを備えたボビン３０２と、該ボビン３０２の巻胴３０２ａの軸方向一端側から他端側に多層に巻き付けられた上記の転位セグメント１０と、積層された転位セグメント１０の各層同士を隔てるスペーサ３０５とを備えたものである。
【０１２３】
ボビン３０２は、巻胴３０２ａと、その両端に設けられたフランジ３０２ｂ、３０２ｃとからなるものであり、このボビン３０２の巻胴３０２ａの外周には、転位セグメント１０が多層に巻き付けられている。
【０１２４】
スペーサ３０５は、積層された転位セグメント１０の各層同士を隔て、転位セグメント１０が冷媒により効率よく冷却されるようにするために設けられており、その長手方向がボビン軸方向に沿うようにして、ボビン１０２の周方向に間隔をおいて複数設けられている。
【０１２５】
また、転位セグメント１０の各層間の間隔、及び、転位セグメント１０とフランジ３０２ｂ、３０２ｃとの間隔は、冷媒の流路となる冷却チャンネル３０４とされている。そして、超電導変圧器３００を使用する際には、転位セグメント１０の超電導状態を保つため、超電導変圧器３００を液体ヘリウムなどの冷媒中に浸漬して冷却できるようになっている。
【０１２６】
以上の超電導ケーブル１７０、超電導マグネット２９０、超電導変圧器３００は、転位撚り構造を良好に保持でき、かつ、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（ｓｌａｃｋ）  の影響を著しく抑制できる、本発明に係る転位セグメント１０を用いて構成されたものであるので、優れた超電導特性、すなわち交流電流通電時の交流損失が低減され、偏流が抑制された、良好な特性を有するものとなる。
【０１２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、テープ状の素線を複数本、転位撚り合わせてなり、各転位渡り部はこれを結束する保形用テープにより複数箇所で保形されている転位セグメントにおいて、各転位渡り部を結束する保形用テープの間隔ｌを、転位撚り合わせた素線の本数ｎに応じて、特定の関係式が成立するように設定したことにより、コイル巻きの過程で生じるテープ線材間のズレに起因した歪（ｓｌａｃｋ）  の影響による、超電導特性の低下を抑制することができる、転位セグメントを提供することが可能となる。
【０１２８】
また、上記構成の転位セグメントは、優れた超電導特性、すなわち交流電流通電時の交流損失が低減され、偏流が抑制された、良好な特性を備えた各種の超電導応用機器の提供に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る転位セグメントの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示した転位セグメントの断面図である。
【図３】テープ線の浮き上がり高さ（ｓｌａｃｋ高さ：ｙ）  と加わる歪量（ε）との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る超電導ケーブルの一実施形態を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る超電導マグネットの一実施形態を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る超電導変圧器の一実施形態を示す斜視図である。
【図７】図６に示した超電導変圧器の断面図である。
【図８】従来の転位セグメントの一実施形態を示す斜視図である。
【図９】従来の転位セグメントの問題を説明するための図である。
【図１０】従来の転位セグメントの他の一実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図１１】転位セグメントをある曲げ径のドラムに巻き付けた時の素線の緩みを示す説明図である。
【図１２】転位セグメントの中立軸と素線のズレを示す説明図である。
【図１３】ズレを検証するために用いた転位セグメントのモデルを示す断面図である。
【符号の説明】
１０  転位セグメント、２０  素線、２０ｓ  金属基板、２０ｔ  中間層、２０ｒ  高温超電導材料、２１  超電導素線、４０、４０ａ〜４０ｃ  保形用テープ、５１  転位渡り部、５２  非転位渡り部、６０  結束部、１７０  超電導ケーブル（超電導応用機器）、２９０  超電導マグネット（超電導応用機器）、３００  超電導変圧器（超電導応用機器）。
【図１】
2004265710.tif 000024
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004265710.tif 000032
【図１０】
2004265710.tif 000033
【図１１】
2004265710.tif 000034
【図１２】
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【図１３】
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