JP2006156163A - 超電導導体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部に配置された光ケーブルを外力から保護することができる超電導ケーブルコアを提供することである。
【解決手段】可撓性を有するフォーマの表面に、複数本の超電導線より螺旋状に巻きつけてなる超電導導体層と、複数本の超電導線より螺旋状に巻きつけてなる超電導シールド層が、絶縁層を介して形成された超電導導体において、前記超電導導体層および前記超電導シールド層の上面と下面のいずれか、または両面に、伸縮性を有する平滑層を備えることを特徴とする超電導導体を提供する。前記伸縮性平滑層は２本以上のテープ状体が幅方向に互いに一部重ね合わせ、螺旋状に巻きつけて形成されるものである。また前記伸縮性平滑層は超電導導体が超電導温度下において伸縮性を保つことが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は電力送電用超電導ケーブル等に適用可能な可撓性を有する超電導導体に関し、特に曲げによる超電導特性劣化の少ない高温超電導導体に関する。

近年、大電力低損失の電力輸送を実現するために、超電導導体、特に液体窒素温度で超電導状態になる酸化物超電導導体、例えばビスマス（Ｂｉ）系酸化物超電導であるＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ線材等の電力ケーブルへの適用が検討されている。例えば、下記特許文献１で、可撓性を有するフォーマ上に、複数本のテープ状酸化物超電導多芯線、絶縁層テープ、複数本のテープ状酸化物超電導多芯線が順次に巻きつけて形成される超電導導体、及びこの超電導導体を用いたケーブルは開示されている。この超電導ケーブルは可撓性を有するフォーマによって可撓性が付与されており、ドラムに巻き付けてストック及び運搬の際、曲げ直径１．５ｍ曲げても超電導特性を実質的に劣化しない程度の可撓性を有する。

しかしながら、実際には、このような超電導ケーブルには、製造や運送又は布設などの作業時に更に大きな曲げ或は繰り返し曲げが発生し、これらの曲げによって超電導導体にも超電導特性が劣化する程の歪みがかかってしまう場合がある。曲げによる超電導ケーブルの超電導特性劣化の問題を解決するために、様々な工夫がされてきた。例えば、特許文献２に開示されたように、フォーマとフォーマ上に巻回されたテープ状超電導導体との間にグリース塗布層などのような潤滑層を設け、フォーマと超電導導体間の滑り性を改善し超電導導体にかかる曲げ歪みを緩和することを図った。

又は、特許文献３に、フォーマ上にテープ状体をその隣接する側面が互いに接触しないように間隔（ギャップ）を開けて所定のピッチで螺旋状に巻いて、フォーマを長手方向に収縮可能とし、この収縮させたフォーマの外周に、テープ状超電導体を複数本、複数層配置の超電導導体を開示していた。優れた可撓性を有するフォーマから超電導導体に可撓性を付与し、超電導導体に曲げを加える時に折れ曲がりや破断がなくなり、超電導特性の低下を極力抑える効果が期待された。

特許文献３のように、可撓性のある円筒状金属管をフォーマとし、超電導導体層及び超電導シールド層と接する面に、テープ状体をギャップを開けて所定ピッチで螺旋状に巻いてなる平滑層を備えた従来の超電導導体の１例を図３に示す。図３に、フォーマ１、平滑層２、超電導導体層３、内部半導電層４、絶縁層５、外部半導電層６、超電導シールド層７、保護層８からなる超電導導体２２を示す。フォーマ１は可撓性を有する円筒状の金属管、例えば、金属テープを螺旋状に巻きつけたスパイラル管や、銅線を撚り合せた撚り線導体や、波付け金属管などを用いる。フォーマ１の表面凹凸を平滑にするために、フォーマ１の外周にクラフト紙やカーボン紙等のテープでギャップ１０を開けて、１層若しくは数層螺旋状に巻き付けて平滑層２を形成している。平滑層２の外側には、複数本のテープ状の超電導線９が螺旋状に巻きつけられて超電導導体層３を形成している。超電導導体層３の外側には、クラフト紙などからなるテープを多層に巻き付けて絶縁層５を形成するが、超電導電界を緩和する目的、及び超電導導体層３と超電導シールド層７に平滑な接触面を与える目的で、絶縁層５の内側と外側に、カーボン紙等の半導電性テープを前記平滑層２と同様にギャップ１０を開けて１層若しくは数層螺旋状に巻き付けて、内部半導電層４と外部半導電層６を形成している。外部半導電層６の外周には、複数本の超電導線９を所定ピッチで螺旋状に巻線して超電導シールド層７を形成している。超電導シールド層７の外側には、外部から保護する目的でクラフト紙などからなるテープを多層巻回して保護層８を形成するが、保護層８の内側に、前記クラフト紙テープをギャップ１０を開けて螺旋状に巻きつけ、超電導シールド層７に接する面を平滑させる。

上記超電導導体２２において、平滑層２と内部半導電層４は超電導体層３の内側と外側に、また、外部半導電層６と平滑層２は超電導シールド層７の内側と外側に、ギャップ１０を開けて螺旋状に巻回して形成されるが、ギャップ１０を開ける目的は、超電導導体が曲げられた時に、超電導導体層３と超電導シールド層７に接するテープに皺がより、その皺が超電導線９を傷つけることが無いようにするためである。このギャップ１０の間隔が曲げの内側では狭くなり、外側では広くなることで曲げ歪みはギャップ１０によって吸収されることである。

特開平７−１６９３４３号公報 特開平５−１４４３３３号公報 特開２００２−１５６２９号公報

しかしながら、上述のように、超電導導体層３或は超電導シールド層７と接する面にギャップ１０を開けたテープ巻回層が形成されると、超電導線９に曲げや側圧が加わった場合、線材は上面または下面に押し付けられる。その際、超電導線９がテープ巻回層のギャップ１０に落ち込み、更に超電導導体層３或は超電導シールド層７の上面または下面がギャップ１０のエッジに押し付けられて超電導線９にダメージを与える。図４は超電導導体層３とその両側にギャップを開けたテープ巻回層を示す図である。更に、超電導線９がギャップ１０に落ち込む様子を拡大して図４−Ａと図４−Ｂ図に示す。図４−Ａの場合、超電導線９に曲げ歪み又はギャップ１０のエッジで局所的にせん断力が加えられ、超電導線９を折るなどのダメージが与えられる。図４−Ｂの場合は、超電導線９の上面と下面にテープ巻回層のギャップ１０が一致していて、超電導線９は上下とも拘束されることなくフリーとなるために、線の折れ幅が大きく、最悪は線が切れてしまうこともあり得る。これらのことによる結果は、超電導導体に流せる電流が著しく低下する問題が生じた。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、曲げ歪みによって超電導特性の劣化が生じない大電流を流せて十分な可撓性を有する超電導導体を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、可撓性を有するフォーマの表面に、複数本の超電導線が螺旋状に巻きつけてなる超電導導体層と、複数本の超電導線が螺旋状に巻き付けてなる超電導シールド層が、絶縁層を介して形成された超電導導体において、前記超電導導体層および前記超電導シールド層の上面と下面のいずれか、または両面に、伸縮性を有する平滑層を備えることを特徴とする超電導導体を提供する。

また、可撓性の有するフォーマの表面に、超電導導体層が複数本の超電導線より螺旋状に巻きつけて形成された超電導導体において、超電導導体層の上面と下面のいずれか、または両面に、伸縮性を有する平滑層を備えることを特徴とする超電導導体を提供する。

前記伸縮性を有する平滑層は、前記超電導導体が超電導状態となる温度下に於いても伸縮性が保たれることを特徴とするものである。

また、前記伸縮性平滑層は、２本以上のテープ状体が幅方向に一部重ね合わせ、螺旋状に巻きつけて形成されるものである。

また、前記伸縮性平滑層は、金属テープ状体と非金属テープ状体からなるものである。

更に、前記超電導導体の製造方法と、前記超電導導体を用いた超電導ケーブル及び超電導ケーブルの製造方法を提供する。

本発明は、可撓性を有するフォーマの表面に、複数本の超電導線を螺旋状に巻き付けてなる超電導導体層と、複数本の超電導線を螺旋状に巻き付けてなる超電導シールド層が、絶縁層を介して形成された超電導導体において、前記超電導導体層および前記超電導シールド層の上面と下面のいずれか、または両面に、伸縮性平滑層を設けることにより、可撓性に優れると共に、超電導導体に曲げ歪みが加わった時に、超電導導体層または超電導シールド層が接する面の表面形状により傷つけることが無く、超電導導体の性能低下が抑制できることである。

また、前記伸縮性平滑層は２本以上のテープ状体を幅方向に一部重ね合わせて形成されるので、従来の超電導導体で生じた超電導線が平滑層のギャップに落ち込み、更にギャップのエッジによりダメージを受けることが無くなる。

更に、上記伸縮性平滑層は超電導導体が超電導状態となる温度下においても伸縮性が保たれるので、通電状態にある超電導導体の臨界電流低下を防ぐと共に、超電導導体が可撓性に優れかつ長尺超電導導体およびケーブルを得ることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良形態を示す。
図１は本発明に係わる超電導導体の概略図である。

金属テープを螺旋状に巻きつけたスパイラル管や、銅線を撚り合せた撚り線導体や、波付け金属管などの可撓性を持つ金属管をフォーマ１として用いる。フォーマ１の表面に、図２に示していたように、２本のテープ状体１２、１３が互いに幅方向に一部重なるようにラップして螺旋状に巻きつけられて伸縮性平滑層１１を形成している。

この伸縮性平滑層１１の上に、複数本の超電導線９が所定ピッチで螺旋状に巻きつけられて超電導導体層３を形成している。次いで、電解を緩和する目的で内部半導電層４が形成されるが、超電導導体層３に接する内部半導電層４の内面に前記伸縮性平滑層２を形成している。

内部半導電層４の外周に、テープ状のクラフト紙がギャップ１０を開けて複数層螺旋状に巻きつけられて絶縁層５を形成している。

絶縁層５の外周には、電界を緩和するために外部半導電層６と、複数本の超電導線９が螺旋状に巻きつけられてなる超電導シールド層７と、外部からの保護を目的にして保護テープを螺旋状に多層巻きつけてなる保護層８が、順次に形成されるが、超電導シールド層７に接する外部半導電層６の外面と保護層８の内面に、前記伸縮性平滑層１１を設けている。

本発明において、前記伸縮性平滑層１１は、２本のテープ状体１２、１３が互い一部重なって螺旋状に巻きつけて形成される。超電導導体が超電導状態となる温度下で伸縮性平滑層１１の伸縮性が保てば、テープ状体１２、１３の材質、または、組合せに特に限定はないが、好ましくは金属テープ状体と非金属テープ状体の組み合わせが良い。テープ状体は、金属の場合、アルミニウム、銅またはそれらの合金、非金属の場合は、クラフト紙、カーボン紙、ポリイミドなどを用いることが出来る。更に、テープ状体の寸法について、特に限定はないが、製造上便利になる理由で、組合わせテープの寸法は同じであることが好ましい。また、テープ状体の重なる量は約テープ幅の１／２以下、好ましくは１／３程度が良い。

本発明において、前記超電導導体層３と超電導シールド層７を形成する超電導線９材として、金属超電導体線材或は酸化物超電導体線材のいずれかでよい。酸化物超電導線材には、酸化物超電導として、例えば、Ｙ_１ Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_７−ｘ温（０≦Ｘ＜１）等のイットリウム系、Ｂｉ_２ Ｓｒ₂Ｃａ_２Ｃｕ₃Ｏ_１０−Ｙ（０≦Ｙ＜１）等のビスマス（Bi）系、またはＴｌ_２ Ｓｒ₂Ｃａ_２Ｃｕ₃Ｏ_１０−Ｚ（（０≦Ｚ＜１）等のタリウム系酸化物超電導体に、銀または銀マグネシウム合金シースを施してなる高温超電導テープ等を用いることができる。金属超電導線材には、ＮｂＴｉ、Ｎｂ_３Ｓｎ等のテープ状超電導線材が挙げられる。

また、上記の本発明では、超電導導体層３と超電導シールド層７の上面と下面の両方に伸縮性平滑層１１を設けたが、上面または下面のいずれかの一方でも超電導導体の劣化を抑えることが出来、効果的である。

図１は本実施例を説明するための本発明に係わる超電導導体２１の概略図である。
可撓性を有する直径３０mmの波付き銅管をフォーマ１に用い、フォーマ１の表面に伸縮性平滑層１１を形成した。伸縮性平滑層１１は、図２に示しているように、アルミテープ１２とカーボン紙テープ１３の２本のテープ状体からなり、テープの幅方向に、互いにテープ幅１／３程度重ねるようにラップして、フォーマ１の上に螺旋状に巻き付けていた。アルミテープ１２とカーボン紙テープ１３の断面寸法は共に、幅２０mm、厚さ０．１mmである。

伸縮性平滑層１１の外側に、２０本のテープ状超電導線９が、３００mmのピッチで螺旋状に巻き付けられて超電導導体層３を形成した。超電導線９は銀被覆されたBi₂ Sr₂ Ca₂ Cu₃ O_x 線材であり、断面寸法は幅４mm、厚さ０．２mmである。

超電導導体層３の上面には、テープ状のカーボン紙で１mm程のギャップ１０を開けて内部半導電層４が形成されるが、超電導導体層３に接する内部半導電層４の内面に前記伸縮性平滑層１１を設けた。内部半導電層４の上に絶縁層５は、幅２０mm、厚さ０．１５mmのクラフト紙を１mmのギャップ１０を開けて数十層螺旋状巻き付けて形成された。

絶縁層５の上に、前記内部半導電層４と同様な方法で外部半導電層６を形成し、更に、３０本の超電導線９を巻き付けてなる超電導シールド層７は、前記伸縮性平滑層１１を介して外部半導電層６の外周に形成された。超電導シールド層７に用いた超電導線９の材質、寸法及び巻き付ける方法は前記超電導導体層３と同じであった。

超電導シールド層７の上面には、外部からの保護を目的にしてテープ状クラフト紙を１mm程度のギャップを開けて螺旋状に数層巻き付けて保護層８を形成するが、超電導シールド層７と接する面に前記伸縮性平滑層１１を設けた。

また、本発明と比較するための比較例として、図３に示していた従来のギャップ巻きの超電導導体２２を作成した。

更に、上記本発明の超電導導体２１と従来の技術による超電導導体２２の臨界電流Icを評価した。評価は、超電導導体の製造直後及び曲げ直径１．０ｍで曲げを行った後のIcと超電導導体の積算電流と比較することによって行われた。

結果は、本発明の超電導導体２１では、製造直後、曲げ直径１．０ｍ曲げた後も、Icの劣化は見られなかったが、従来技術による超電導導体２２では、製造直後でIcは約８５％、更に曲げ直径１．０ｍの曲げを行ったところIcは約６０％まで劣化してしまった。劣化の原因を解体調査した結果、ギャップに位置する部分の超電導線が折れていたことが分かった。一方、本発明による超電導導体では、超電導線に折れなどは観測されなかった。

なお、本発明の超電導導体２１と従来技術による超電導導体２２のいずれも、２０本の超電導線９を螺旋状に巻き付けて形成され、超電導線９の１本あたりの平均Icは５０Aとして、積算された超電導導体のIcは1000Aとなる。

なお、上記本発明では、超電導導体層と超電導シールド層に接する上面と下面の両面に伸縮性平滑層１１を備えていたが、上面または下面の何れの一方の面でも効果がある。

本発明に係わる超電導導体の概略説明図 本発明に係わる超電導導体における超電導導体層及びその上面と下面に設けた伸縮性平滑層の長手方向断面図 従来技術による超電導導体の概略説明図 従来技術による超電導導体における超電導導体層及びその上面と下面に設けた巻回層の長手方向断面図 超電導線がギャップに落ち込む様子の断面図 超電導線がギャップに落ち込む様子の断面図

符号の説明

０００１： フォーマ
０００２： 平滑層
０００３： 超電導導体層
０００４： 内部半導電層
０００５： 絶縁層
０００６： 外部半導電層
０００７： 超電導シールド層
０００８： 保護層
０００９： 超電導線
００１０： ギャップ
００１１： 伸縮性平滑層
００１２、００１３： テープ状体
００２１： 本発明に係わる超電導導体
００２２： 従来技術による超電導導体

Claims (8)

1. 可撓性を有するフォーマの表面に、複数本の超電導線を螺旋状に巻き付けてなる超電導導体層と、複数本の超電導線を螺旋状に巻き付けてなる超電導シールド層が、絶縁層を介して形成された超電導導体において、前記超電導導体層および前記超電導シールド層の上面或は下面のいずれか、または両面に、伸縮性を有する平滑層を備えることを特徴とする超電導導体。
2. 可撓性の有するフォーマの表面に、複数本の超電導線を螺旋状に巻き付けてなる超電導導体層が形成された超電導導体において、前記超電導導体層の上面或は下面のいずれか、または両面に、伸縮性を有する平滑層を備えることを特徴とする超電導導体。
3. 前記伸縮性を有する平滑層は、前記超電導導体が超電導状態となる温度下に伸縮性が保てることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導導体。
4. 前記伸縮性平滑層は、２本以上のテープ状体が幅方向に一部重ね合わせ、螺旋状に巻きつけて形成されることを特徴とする請求項１〜３に記載の超電導導体。
5. 前記伸縮性平滑層は、金属テープ状体と非金属テープ状体からなることを特徴とする請求項４に記載の超電導導体。
6. 請求項１〜５のいずれかの１項に記載の超電導導体の製造方法。
7. 請求項６に記載の超電導導体を用いた超電導ケーブル。
8. 請求項７に記載の超電導ケーブルの製造方法。
   
   
   

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