JP4722258B2 - 超電導ケーブル - Google Patents

Description

【０００１ 】
【発明の属する技術分野】
本発明は、許容曲げ半径が向上されて、導体化後の曲げによる歪みに際して超電導特性が劣化しにくくされた酸化物超電導ケーブルに関するものである。
【０００２ 】
【従来の技術】
従来の超電導ケーブルとしては、積層型のものと転位撚り型のもの等が挙げられる。
積層型の超電導ケーブルとしては、図３の（ａ）および（ｂ）に示すようなステンレス鋼などからなるパイプ状のフォーマ２の周囲にテープ状の超電導導体３がスパイラル状に巻回されてなる超電導導体層４が複数積層され、これらの超電導導体層４、４…間に絶縁テープ材５が介在されてなる超電導ケーブルが知られている。
各超電導導体層４の超電導導体３の巻回方向は、交互反対方向となっており、図３に示した例においては、フォーマ２側から第１層目の超電導導体層４の巻回方向がＳ巻（右巻）、第２層目の超電導導体層４の巻回方向がＺ巻（左巻）、第３層目の超電導導体層４の巻回方向がＳ巻（右巻）、第４層目の超電導導体層４の巻回方向がＺ巻（左巻）と交互になっている。
【０００３ 】
上記テープ状の超電導導体３は、図４に示す構造の超電導多心素線（超電導素線）１３を矩形状に塑性加工してテープ状に平坦化されてなるものである。この超電導多心素線１３は、超電導フィラメントなどの超電導体からなるコア部１６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１６がシース材からなる金属シース１７の内部に複数備えられてなるものである。なお、図４中、矢印の方向は、超電導多心素線１３を捻る際の捻り方向の一例を示すものである。
【０００４ 】
上記超電導コアに利用される超電導物質としては、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_x（Ｂｉ系２２１２相），Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y（Ｂｉ系２２２３相）、Ｂｉ_1.6Ｐｂ_0.4Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x 、ｌ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y 、Ｙ₁Ｂ₂Ｃｕ_7-X（Ｙ系１２３相）等の組成を持つ酸化物超電導導体が利用されている。そのうちＢｉ系、特にＢｉ系２２２３相の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超電導コアに広く適用されている。
【０００５ 】
上記積層型の超電導ケーブル３においては、各超電導導体層４、４…において各超電導導体層４、４…のインダクタンスの違いにより、電流が各層に均等に分配されないの偏流現象がおこるため、その抑制策として各層毎にスパイラルピッチを変える検討や、各層間に上述のような絶縁層５、５を設ける等の検討がなされている。
しかしながら、このような偏流現象を軽減させるための検討は、超電導ケーブルの機械的強度を低下させることとなり様々な問題があった。このことは、超電導導体への機械的な最適なスパイラルピッチと、偏流現象を抑えるための最適なスパイラルピッチが必ずとも一致しない場合があることを示唆している。
【０００６ 】
上記転位撚り型の超電導ケーブルは、上記のような積層型の超電導ケーブル３における機械的特性と、偏流現象を抑制の両方を達成するための超電導ケーブルの構造として提案されているものである。
このような転位撚り型の超電導ケーブルの一例を図５および図６に示す。この転移撚り型の超電導ケーブル２１は、転位超電導テープユニット２４がパイプ状のフォーマ２２の周囲に螺旋状に巻回されてなるものである。
【０００７ 】
前記転位超電導テープユニット２４は、図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、テープ状の複合超電導導体（複合超電導テープ）２９を複数本（図面では５本）転位撚り合わせしてなる長尺の帯状のものであり、テープ状の超電導導体２３に、同じ幅の金属テープ２８を添設してなる複合超電導導体２９の複数本を集合して撚り合わせる際に、各テープ状の複合超電導導体２９をその長尺方向において図６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。即ち複合超電導導体２９は、その長さ方向において転位超電導テープユニット２４の表面側に位置する場合と底面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。
このような転位超電導テープユニット２４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。
また、上記テープ状の超電導導体２３は、上記テープ状の超電導導体３と同様の構造のものである。
【０００８ 】
このようなテープ状の超電導導体３、２３を用いた超電導ケーブル１、２１においては、これまで、機械強度を高く、かつ交流損失の少ない超電導ケーブルを得るために、超電導導体のスパイラルピッチの検討や、転位撚りピッチの検討等が行われている。
【０００９ 】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記超電導ケーブルにおける機械的特性の検討は、超電導導体のケーブル化プロセスや、超電導ケーブルが直線状に配置された場合に、超電導導体にかかる歪みに関する検討であった。しかしながら実際には、このような超電導ケーブルには、ケーブル化後の運送時や敷設時等の作業時に曲げによる歪みが生じる場合がある。このような場合、従来構造の超電導ケーブルにおいては、フォーマーと超電導導体との間に大きな滑りが生じないことから、ケーブル内の超電導導体にも歪みが生じる。
例えば、曲げによる歪みの中心線を超電導ケーブルの中心軸と仮定して計算した結果、上記超電導ケーブル１における内部の超電導導体にかかる歪みは、超電導ケーブル全体に作用する歪みの約７０％に相当するものであった。
【００１０ 】
上記超電導ケーブルには、超電導特性が著しく低下してしまう曲げ半径の値、すなわち超電導特性を維持するための限界曲げ半径（以下、最小曲げ半径とする）が存在する。上述のような超電導ケーブルにおいては、超電導ケーブルにおける歪みが、その内部の超電導導体に大きな割合で伝わるために、この最小曲げ半径に大きな制約があった。
このように超電導ケーブルに大きな最小曲げ半径の制約があると、常温で行われる超電導ケーブルの運送や敷設等の作業時において、その最小曲げ半径を越える曲げが発生し易く、このような場合には、超電導ケーブルの超電導特性が劣化してしまうという問題があった。
【００１１ 】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、超電導ケーブルにおいて、その最小曲げ半径を向上させ、超電導ケーブルの運送時や敷設時等の常温における作業時に生じる曲げに際しても、超電導特性の劣化を生じないようにすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パイプ状のフォーマの周囲に、複数本のテープ状の超電導導体が、その一方の面が前記フォーマの表面に対向するように巻回されてなる超電導ケーブルにおいて、前記フォーマを金属材料で形成し、前記フォーマの表面には電気絶縁層が形成され、前記電気絶縁層と前記超電導導体との間において、前記フォーマの表面上全体に潤滑層を設け、前記潤滑層をグリースの塗布により形成し、前記グリースの厚さを、０．０５〜１．０ｍｍとすることによって前記課題を解決するものである。
また、パイプ状のフォーマの周上に絶縁性のテープ材が巻回され、この絶縁性のテープ材の周囲に複数本のテープ状の超電導導体が、その一方の面が前記フォーマの表面に対向するように巻回されてなる超電導ケーブルにおいては、前記フォーマを金属材料で形成し、前記フォーマと前記絶縁性のテープ材との間において、前記フォーマの表面上全体に潤滑層を設け、前記潤滑層をグリースの塗布により形成し、前記グリースの厚さを、０．０５〜１．０ｍｍとするものである。
このような超電導ケーブルであれば、フォーマと超電導導体との間の滑り性が改善され、超電導ケーブルにおける最小曲げ半径を向上させることができる。
【００１３ 】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超電導ケーブル一実施形態について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。この形態の超電導ケーブル３１は、転位撚り型の超電導ケーブルであり、潤滑層３２がフォーマ２２と超電導導体２５との間に設けられていること以外は、図５および６に示す従来の転位撚り型超電導ケーブル２１と同様の構造を有するものである。よって、図１に示す超電導ケーブル３１においては、従来の転位撚り型超電導ケーブル２１と同様の構造のものには、図５および６と同様の符号を付すとともに、その詳しい説明を省略する。
【００１４ 】
この超電導ケーブル３１は、パイプ状のフォーマ２２上に、潤滑層３２が形成され、この潤滑層３２の形成されたフォーマ２２の周囲に、転位超電導テープユニット２４が巻回されてなるものである。
前記フォーマ２２は、ステンレス鋼、銅パイプなどの金属材料からなるものである。このようなフォーマ２２の表面は、該フォーマ２２と超電導導体２５間の通電を抑制するために電気絶縁層（図示略）が形成され、絶縁処理が施されている。なお、この場合、絶縁層はフォーマ２２と潤滑層３２との間に形成されているが、これに限らず潤滑層３２と超電導導体２５との間に設けることも可能である。
【００１５ 】
上記潤滑層３２は、シリコングリス、アビエソーングリス等のグリスなどの潤滑材をフォーマ２２上に塗布することにより形成することができる。
また、これらの潤滑層３２においては、フォーマ２２と超電導導体２５とのすべり性が十分に確保されるようであれば、フォーマ２２上全体に形成しても、その一部分に形成されるものであってもよいが、十分なすべり性を確保するためにフォーマ上全体に均一に形成されることが望ましい。
【００１６】
このとき、潤滑層３２の厚さとしては、フォーマ２２と超電導導体２５とのすべり性が十分に確保されるようであれば特に限定されるものではないが、０．０５〜１．０ｍｍとされることが好ましい。この厚さが、０．０５ｍｍ未満であるとフォーマ２２と超電導導体２５とのすべり性が劣ることとなる。また、超電導ケーブル３１には、導体厚さ、冷媒流路等の大きさ等との関係によりその外径に制約があるが、潤滑層３２の厚さが１．０ｍｍを越えるとこれらの制約に影響することになり不都合となる。
【００１７】
実施例１および比較例１の超電導ケーブルにおける最小曲げ半径を測定した。
超電導ケーブルにおける直線状態と曲げ状態における臨界電流密度を測定し、それらの値を比較し、曲げ状態の超電導ケーブルにおける臨界電流密度が、直線状態の超電導ケーブルにおける臨界電流密度よりも５％低下する値となる場合の超電導ケーブルの曲げ半径を最小曲げ半径として測定した。
曲げ状態の超電導ケーブルにおける臨界電流密度は、実施例１および比較例１の超電導ケーブルを、常温においてある曲げ半径で曲げた後に、これらを曲げたまま液体窒素温度まで冷却して、それぞれにおける臨界電流密度（Ｉｃ）を測定した。
この結果、実施例１における最小曲げ半径は１０００ｍｍ、比較例１における最小曲げ半径は３６００ｍｍであった。すなわち、実施例１の超電導ケーブルにおいては、比較例１のものより最小曲げ半径が小さく、比較例１のものより大きく曲げた場合でも臨界電流密度の損失が少ないといえる。
【００１８ 】
次に、本発明に係る超電導ケーブルの第２の実施形態について図面に基づいて説明する。
図２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。この形態の超電導ケーブル４１は、フォーマ２２上に潤滑層４２が形成され、この潤滑層４２が形成されたフォーマ２２の周上にテープ材４３が巻回され、このテープ材４３の周上に複数本のテープ状の超電導導体２５が巻回されてなるものであり、テープ材４３が形成されていること以外は、その構造を上述の超電導ケーブル３１と同様にする。よって、図２においては、図１と同様の構造のものには同様の符号を付して説明するとともに、その説明を省略する。
【００１９ 】
上記テープ材４３は綿、紙などからなる絶縁性の不織布や、綿テープ、ポリエステルテープ等からなり、超電導ケーブル４１におけるフォーマ２２と超電導導体２５との電気絶縁性を維持するためにのためにも用いられるものである。
この例においては、前記フォーマ２２とテープ材４３との間に、先に説明した実施形態である超電導ケーブル３１における潤滑層３２と同様の形態の潤滑層４２が形成されている。なお、この形態において潤滑層４２は、テープ材４３と超電導導体２５との間に設けてもよい。
【００２０ 】
このような潤滑層３２、４２が形成された、超電導ケーブル３１、４１であれば、フォーマ２２と超電導導体２５（各超電導導体）との間のすべり性が向上されるので、超電導ケーブル３１の最小曲げ半径の制限が緩和される。すなわち、従来のものよりも許容曲げ半径が向上する。よって、このような超電導ケーブルにおいては、ケーブル化後の輸送時や運搬時等の作業時に、曲げによる歪みが生じても超電導ケーブル内の超電導導体における超電導特性の低下を従来のものよりも軽減することができる。
また、従来の構造の超電導ケーブルにおいて、その構成要素を変化させることなく、潤滑層を形成することができるものであるので、フォーマと超電導導体、あるいはテープ材と超電導導体の組み合わせに左右されない導体設計が可能となる。
また、積層型の超電導ケーブルのように、スパイラルピッチの制約が機械的特性以外の要因からも規制される導体構造においても、超電導導体をフォーマとのすべり性を確保できるので導体設計が容易となる。
【００２１ 】
【実施例】
以下、本発明を、実施例および比較例により、具体的に説明するが、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
図２に示す構造の超電導ケーブルを作製した。
（実施例１）
フォーマ２２としてＳＵＳ性の厚さ０.６ｍｍ、外径２６.５ｍｍのコルゲート管を用い、このフォーマ２２上にシリコングリスを均一に塗布して潤滑層４２を形成した。ついで、この潤滑層４２上に、テープ材４３である幅５０ｍｍ、厚さ０.２ｍｍの綿テープを１/２ラップ巻きにし、このテープ材４３の上に、超電導導体２５として、５本のＢｉ−２２２３系銀シーステープ材（幅１、６ｍｍ、厚さ０.２５ｍｍ）を転位よりしてなる転位超電導テープユニット２４を、巻回して実施例の超電導ケーブルを得た。
【００２２ 】
（比較例１）
上記ＳＵＳ性のフォーマ２２上に、潤滑層４２を形成しないで、直接上記不織布テープからなるテープ材４３を巻回した以外は、上記実施例１と同様にして比較例１の超電導ケーブルを得た。
【００２３ 】
実施例１および比較例１の超電導ケーブルにおける最小曲げ半径を測定した。
超電導ケーブルにおける直線状態と曲げ状態における臨界電流密度を測定し、それらの値を比較し、曲げ状態の超電導ケーブルにおける臨界電流密度が、直線状態の超電導ケーブルにおける臨界電流密度よりも５％低下する値となる場合の超電導ケーブルの曲げ半径を最小曲げ半径として測定した。
曲げ状態の超電導ケーブルにおける臨界電流密度は、実施例１および比較例１の超電導ケーブルを、常温においてある曲げ半径で曲げた後に、これらを曲げたまま液体窒素温度まで冷却して、それぞれにおける臨界電流密度（Ｉｃ）を測定した。
この結果、実施例１における最小曲げ半径は１０００ｍｍ、比較例１における最小曲げ半径は３６００ｍｍであった。すなわち、実施例１の超電導ケーブルにおいては、比較例１のものより最小曲げ半径が小さく、比較例１のもの大きく曲げた場合でも臨界電流密度の損失が少ないといえる。
【００２４ 】
次に、潤滑層の厚さを変えて超電導ケーブルを製造し、これらの最小曲げ半径を測定した。結果を表１に示す。これらの結果から、潤滑層の厚さは０．０５ｍｍ以上が好ましいことがわかる。
【００２５ 】
【表１】

【００２６ 】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の超電導ケーブルにあっては、潤滑層を有するものであるので、フォーマと超電導導体とのすべり性が良好となり、その最小曲げ半径が向上され、超電導ケーブルの運送時や敷設時等の常温における作業時の曲げに際しても、超電導特性の劣化を生じることがないものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る超電導ケーブルの一実施形態を示す一部を断面とした斜視図。
【図２】 本発明に係る超電導ケーブルの他の実施形態を示す一部を断面とした斜視図。
【図３】 （ａ）積層型超電導ケーブルの一例を示した一部を断面とした斜視図。
（ｂ）積層型超電導ケーブルの内部構造を説明するための図で、その一部を断面とした斜視図である。
【図４】 超電導ケーブルに用いられる超電導導体の一例を示した一部を断面とした斜視図である。
【図５】 転位撚り型超電導ケーブルの一例の一部を断面とした斜視図である。
【図６】 （ａ）転位撚り型超電導ケーブルに用いられるの転位超電導テープユニットの一例を示す斜視図である。
（ｂ）（ａ）に示す転位超電導テープユニットの断面図である。
【符号の説明】
３１、４１・・・超電導ケーブル 、３２、４２…潤滑層 ２５…超電導導体、
２４・・・転位超電導テープユニット、２２・・・フォーマ 、４３・・・テープ材、

Claims (3)

1. パイプ状のフォーマの周囲に、複数本のテープ状の超電導導体が、その一方の面が前記フォーマの表面に対向するように巻回されてなる超電導ケーブルであって、
   前記フォーマは金属材料からなり、前記フォーマの表面には電気絶縁層が形成され、前記電気絶縁層と前記超電導導体との間において、前記フォーマの表面上全体に潤滑層が形成されてなり、
   前記潤滑層がグリースを塗布することにより形成されたものであり、
   前記グリースの厚さは、０．０５〜１．０ｍｍであることを特徴とする超電導ケーブル。
2. パイプ状のフォーマの周上に絶縁性のテープ材が巻回され、この絶縁性のテープ材の周囲に複数本のテープ状の超電導導体が、その一方の面が前記フォーマの表面に対向するように巻回されてなる超電導ケーブルであって、
   前記フォーマは金属材料からなり、前記フォーマと前記絶縁性のテープ材との間において、前記フォーマの表面上全体に潤滑層が形成されてなり、
   前記潤滑層がグリースを塗布することにより形成されたものであり、
   前記グリースの厚さは、０．０５〜１．０ｍｍであることを特徴とする超電導ケーブル。
3. 前記超電導導体は、転位超電導テープユニットであることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導ケーブル。

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