JP5122047B2 - 転位超電導テープユニット及びこれを用いた超電導応用機器 - Google Patents
転位超電導テープユニット及びこれを用いた超電導応用機器Info
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Description
【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応用機器に係わり、詳しくは十分な超電導特性を有するうえ、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超電導応用機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導ケーブル、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、テープ状の超電導素線や、テープ状の超電導導体や、あるい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が用いられている。
図６は、従来の転位超電導テープユニットが備えられた超電導ケーブルの例を示す斜視図であり、図７は、図６の超電導ケーブルに備えられた転位超電導テープユニットの説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
図６の超電導ケーブル１１０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、転位超電導テープユニット１１５がパイプ状のフォーマ（管体）１１７の周囲に螺旋状に巻回されてなるものである。この転位超電導テープユニット１１５は、図７（ａ）に示すようにテープ状の超電導導体（超電導テープ）１１８を複数本（図面では５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１１５では、テープ状の超電導導体１１８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１１８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。
【０００３】
フォーマ１１７の表面は、該フォーマ１１７と転位超電導テープユニット１１５間の通電を抑制するために絶縁処理が施されている。また、このフォーマ１１７の内部は、冷却媒体の流路とされ、テープ状の超電導導体１１８の冷却が行われる。
テープ状の超電導導体１１８は、図７（ｂ）に示すように、超電導多心素線（超電導素線）が平坦化されてなるテープ状の超電導素線１１９の表面に硫化処理が施されて高抵抗化膜１２０が形成されてなるものである。上記超電導多心素線は、Ａｇ等から形成されたシース材からなる基地の内部に、超電導フィラメントなどの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備えられてなるものである。上記コア部の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相）、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）などで示される組成を持つものが用いられる。
上記のような構成の超電導ケーブル１１０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。
【０００４】
図８は、従来の超電導テープが備えられた超電導変圧器の巻線部の例を示す図であり、図９はこの巻線部の要部を示す図である。
この巻線部１３０は、円筒形の巻枠１４０と、この巻枠１４０に巻かれたテープ状の超電導導体（超電導テープ）１４５とから構成されたものが知られている。巻枠１４０には、図９に示すように複数の溝１４１が略平行に形成されている。ここでのテープ状の超電導導体１４５のコア部としては、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）等の超電導体あるいは熱処理により超電導体となる材料が用いられている。ここで用いられる超電導導体１４５がテープ状とされるのは、酸化物超電導体、特に、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）等の超電導体は結晶の配向性（特にＡＢ面の配向性）を揃え高臨界電流特性化を図るためであり、通常、圧延加工と熱処理を繰り返すことにより高特性化を行っている。
【０００５】
各溝１４１内には上記のようなテープ状の超電導導体１４５が複数積層（図面では３層積層）され、嵌め入れられることにより巻枠１４０に巻き付けられているが、その際、図９の（ｂ）に示すように一つの溝１４１ａに嵌められた最外層の超電導導体１４５ｃは途中から緩やかに次の溝１４１ｂに移行してこの溝１４１ｂに嵌め入れられ、その後、所定の間隔をあけて次の層（最外層の下側の層）の超電導導体１４５ｂが次の溝１４１ｂに途中から緩やかに移行してこの溝１４１ｂに嵌め入れられて先に移行させた超電導導体１４５ｃの外側（上）に巻く方法（層内転位法）が採用されている。
このような超電導変圧器の巻線部１３０では、超電導導体の補強のために隣接する溝１４１、１４１間隔（スペーサ間隔）を小さくしている。
【０００６】
次に、強磁場で使用される超電導マグネットにおいては、磁場発生時において強大な電磁力が巻線部に加わる。そのため巻線部に備えられるテープ状の超電導導体の高強度化のために各種の開発がなされている。高強度化された従来のテープ状の超電導導体の例としては、銀シースにＣｕ等の元素を添加したものや、コア部材料としてＢｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏx （Ｂｉ２２１２相）を用いたものを液体ヘリウム中で使用するようにしたものが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような超電導応用機器に用いられた従来のテープ状の超電導導体や転位超電導テープユニットは、強度を十分に向上できないという問題があった。特に、シース材の高強度化によりテープ状の超電導導体を強度を向上する方法では、Ｍｇ、Ｓｂ、Ｍｎ等を銀中に０．１〜０．３ｗｔ％添加した銀合金シース材を超電導導体の外周部分に用いており、この場合、超電導導体の製造工程で行う熱処理時（約８００℃〜９００℃で、数百時間程度）に上記の添加元素の拡散により超電導特性の低下を引き起こすのを避けるために、添加元素の添加量が０．３ｗ％以下に制約されるため、導体の補強効果もある一定のレベル以下に制約されてしまう。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、十分な超電導特性を有するうえ、強度を向上させた転位超電導テープユニットを提供することを目的とする。
また、本発明は、十分な超電導特性を有するうえ、機械的強度を向上させた転位超電導テープユニットを用いた超電導ケーブル、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の提供を他の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、テープ状の超電導導体の複数本と、１本以上のテープ状の補強材とが転位撚り合わされてなる転位超電導テープユニットにおいて、前記転位超電導テープユニットの中央部に、縦に配置されたテープ状の補強材が通されたことを特徴とする転位超電導テープユニットを上記課題の解決手段とした。
【００１０】
また、本発明は、テープ状の超電導導体の複数本が転位撚り合わされてなる転位超電導テープユニットにおいて、前記転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材が通されていることを特徴とする転位超電導テープユニットを上記課題の解決手段とした。
上記のいずれかの構成の本発明の転位超電導テープユニットにおいて、上記テープ状の補強材は、非磁性金属材料又は非磁性のオーステナイト系金属材料からなるものであってもよい。上記非磁性金属材料としては、ハステロイ等を用いることができる。上記非磁性のオーステナイト系金属材料としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼等を用いることができる。
【００１１】
本発明において、上記テープ状の超電導導体としては、テープ状の超電導素線の表面に硫化処理が施されて高抵抗化膜が形成されたものであってもよい。
本発明において、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平坦化してなるものであり、前記高抵抗化膜は前記基地を形成するシース材よりも電気抵抗率の高いものであることが好ましい。
上記コア部をなす超電導体またはコア部の熱処理により超電導体となる材質としては、単体では機械的に脆い性質を有する超電導材料が挙げることができ、例えば、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏx （Ｂｉ２２１２相）、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）、Ｂｉ1.6Ｐｂ0.4Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-xなどで示される組成をもつ酸化物超電導材料のような高温超電導材料や、Ｎｂ3Ｓｎ、Ｎｂ3Ａｌなどで示される組成をもつ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、Ｂｉ系２２２３相またはＢｉ系２２１２相のＢｉ系酸化物超電導材料が用いられることが好ましい。
【００１２】
上記シース材が、Ａｇ，Ｐｔ，Ａｕ等の貴金属あるいはそれらの合金からなるものであることが好ましい。
上記高抵抗化膜は、上記シース材の硫化物からなるものであることが好ましく、このなかでも硫化銀からなることがさらに好ましい。
【００１３】
また、本発明は、上記のいずれかの構成の本発明の転位超電導テープユニットを用いたことを特徴とする超電導応用機器を上記課題の解決手段とした。
また、本発明は、上記のいずれかの構成の本発明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を上記課題の解決手段とした。
本発明の超電導ケーブルにおいては、これに用いられる本発明の転位超電導テープユニットを構成する上記テープ状の超電導導体の横断面形状とテープ状の補強材の横断面形状がそれぞれ矩形状であることが好ましい。
上記管体は、ステンレス鋼製とされることが好ましい。
【００１４】
【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と、これを用いた超電導応用機器の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
（転位超電導テープユニットの第１の実施形態）
図１は、本発明の転位超電導テープユニットの第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
本実施形態の転位超電導テープユニット１５は、図１（ａ）に示すように複数本（図面では８本）のテープ状の超電導導体（超電導テープ）１８と、複数本（図面では４本）のテープ状の補強材（補強テープ）１６とが転位撚り合わせてなる長尺の帯状のものである。さらに詳しくは、テープ状の超電導導体（超電導テープ）１８を上下左右に積層した積層体（図面では超電導導体１８を４本束ねた積層体）１８ａ、１８ａの間にテープ状の補強材１６、１６が左右に並列され、さらに一方の積層体１８ａの上にテープ状の補強材１６が添設され、他方の積層体１８ａの下にテープ状の補強材１６が添設されており、さらにこれらの複数本のテープ状の超電導導体１８と複数本のテープ状の補強材１６は撚り合わす際に、各テープ状の超電導導体１８や各テープ状の補強材１６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。
【００１５】
上記テープ状の超電導導体１８は、図１（ｂ）に示すようにテープ状の超電導素線１９の表面に硫化処理が施されて高抵抗化膜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の具体的寸法は、幅１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲のものとされる。
上記高抵抗化膜２０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。このような高抵抗化膜２０は、後述する基地２９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１８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１８のシース材２９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１８の内部に渦電流が留まるようにできる点で好ましい。例えば、基地２９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２９の周囲の高抵抗化膜２０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。
【００１６】
上記テープ状の超電導素線１９は、図２に示すような超電導多心素線（超電導素線）２５が平坦化されてなるものである。この超電導素線１９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１９は、幅１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲のものとされる。
上記超電導多心素線２５は、超電導フィラメントなどの複数本の超電導体２７からなるコア部２８または熱処理により超電導体となる材料２７を有するコア部２８がシース材からなる基地２９の内部に備えられてなるものである。
【００１７】
コア部２８の超電導体２７あるいは熱処理により超電導体となる材料２７としては、単体では機械的に脆い性質を有する超電導材料が挙げることができ、例えば、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏx （Ｂｉ２２１２相）、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）、Ｂｉ1.6Ｐｂ0.4Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-xなどで示される組成をもつ酸化物超電導材料のような高温超電導材料や、Ｎｂ3Ｓｎ、Ｎｂ3Ａｌなどで示される組成をもつ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、Ｂｉ系２２２３相またはＢｉ系２２１２相のＢｉ系酸化物超電導材料が用いられる。
基地２９を形成するシース材としては、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。
【００１８】
テープ状の補強材１６は、非磁性金属材料又は非磁性のオーステナイト系金属材料からなるものが用いられる。上記非磁性金属材料としては、ハステロイ等を用いることができる。上記非磁性のオーステナイト系金属材料としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼等を用いることができる。
このテープ状の補強材１６の横断面形状は、超電導導体１８の横断面形状と同様の矩形状とすることが好ましい。この補強材１６の具体的寸法は、幅１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲のものとされる。
【００１９】
次に、図１に示した転位超電導テープユニット１５の製造方法の一例を工程順に説明する。
〔原料粉末処理工程〕
酸化物超電導物質の原料粉末、例えばＢｉ2Ｏ3，ＰｂＯ，ＳｒＣＯ3 ，ＣａＣＯ3 ，ＣｕＯ、からなるものを、Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕの混合比が１．８：０．４：２．２：３．０となるように混合し、７８０℃〜８２０℃の範囲の温度条件においておこなう熱処理（仮焼き）と該仮焼きした後における粉砕とを複数回繰り返す。
ここで、混合する原料粉末は、上記の他にＢｉ，Ｐｂ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕの各元素の酸化物、炭酸塩のいずれでもよい。
〔充填工程〕
上記粉砕した原料粉末をＣＩＰ（冷間静水圧プレス）成形等により例えば円柱体とし、ついでこの円柱体をＡｇ等のシース材からなる第一のパイプ内部に充填して封入し、シース材複合体（Ａｇシース複合体）を形成する。
【００２０】
〔単心線の伸線（引き抜き）加工工程〕
上記シース材複合体（Ａｇシース複合体）を、ダイス等によって所定の線径にまで伸線加工し、超電導単心素線（単心線）を形成する。
〔多心化工程〕
Ａｇ等のシース材からなる第二のパイプの内部に上記単心線を所定数（例えば、１９本）配置し、封入を行った後、ダイス等により所定の線径にまで伸線加工して、図２に示すような超電導多心素線（超電導素線）２５を形成する。
【００２１】
〔超電導素線の圧延熱処理反復工程〕
上記超電導多心素線２５をロール圧延等の圧延加工により、所定の厚さまで圧延して平坦化する。ここでの圧延加工に用いる装置としては、例えば、上下一対のロールを備えた２重圧延機と、このロール間に超電導多心素線２５を送り出す送出ドラムと上記ロール間で圧延された超電導多心素線２５を巻き取る巻取ドラムとからなる搬送機からなる圧延装置（図示略）が好適に用いられる。このような圧延装置を用いて超電導多心素線２５を圧延するには、上記送出ドラムから超電導多心素線２５を上記ロール間に送り出して圧延するとともに圧延された超電導多心素線２５を巻取ドラムで巻き取ることにより行われる。
ついで、この平坦化した超電導多心素線２５を、例えば熱処理ドラムに巻回状態として電気炉等の内部に収容し、温度条件を、８２０℃〜８５０℃の範囲とし、処理時間を、１０時間〜２００時間の範囲に設定して熱処理を行う。
更に、上記圧延加工（またはプレス処理）および熱処理を複数回繰り返して、所定の厚みのテープ状の超電導素線１９を形成する。
【００２２】
〔超電導素線の硫化工程〕
上記テープ状の超電導素線１９の表面に硫化処理を施して高抵抗化膜２０を形成することにより、図１に示すようなテープ状の超電導導体（超電導テープ）１８を形成する。
ここでの硫化処理に用いる装置としては、例えば、真空排気可能であり、内部に硫黄蒸気が満たされる反応容器と、該反応容器内にテープ状の超電導素線１９を送り出す送出ドラムと、上記反応容器内で硫化処理が施されたテープ状の超電導素線１９を巻き取る巻取ドラムとからなる硫化処理装置が好適に用いられる。上記反応容器には、テープ状の超電導素線１９を内部に導入する導入孔と、導入されたテープ状の超電導素線１９を導出するための導出孔が形成されており、これら導入孔と導出孔の周縁部には、テープ状の超電導素線１９を通過させている状態で各孔の隙間を閉じて上記反応容器内を気密状態にする封止機構が設けられている。また、上記反応容器には、ヒータ（図示略）が備えられており、この反応容器を加熱できるようになっている。
【００２３】
このような硫化処理装置を用いてテープ状の超電導素線１９の表面に硫化処理を施すには、上記反応容器の内部を真空排気した後、該反応容器内に所定温度範囲の硫黄蒸気を供給し、ついで、上記送出ドラムからテープ状の超電導素線１９を上記硫黄蒸気が満たされた上記反応容器内に送り出すとともに硫化処理が施されたテープ状の超電導素線１９を上記巻取ドラムで巻き取ると、表面に高抵抗化膜２０を有するテープ状の超電導導体（超電導テープ）１８が得られる。上記の反応容器内に供給される硫黄蒸気としては、二塩化硫黄、二塩化二硫黄、二酸化硫黄などの蒸気を挙げることができる。上記反応容器内に供給される硫黄蒸気の温度としては、５０゜Ｃ〜１７０゜Ｃ程度の範囲内とされる。上記反応容器内の温度としては、供給された硫黄蒸気が液化しないような温度である。硫化処理時間としては、６０〜３００００秒程度である。ここでの硫化処理時間は、上記反応容器内に送り込むテープ状の超電導素線１９の線速等によって変更できる。
【００２４】
〔補強材の圧延反復工程〕
線状の補強材（テープ状にする前の補強材１６）をロール圧延等の圧延加工により、所定の厚さまで圧延して平坦化する。ここでの圧延加工に用いる装置としては、例えば、上下一対のロールを備えた２重圧延機と、このロール間に線状の補強材を送り出す送出ドラムと上記ロール間で圧延された補強材１６を巻き取る巻取ドラムとからなる搬送機からなる圧延装置（図示略）が好適に用いられる。このような圧延装置を用いて上記線状の補強材を圧延するには、上記送出ドラムから線状の補強材を上記ロール間に送り出して圧延するとともに圧延された補強材を巻取ドラムで巻き取ることにより行われる。
更に、上記圧延加工（またはプレス処理）を複数回繰り返して、所定の厚みのテープ状の補強材１６を形成する。
【００２５】
〔転位撚り合せ工程〕
転位撚り合せ機を用いて上記テープ状の超電導導体１８の複数本（本実施形態では８本）と、テープ状の補強材１６の複数本（本実施形態では４本）とを所定の転位ピッチで転位撚り合わせて図１に示すような転位超電導テープユニット１５を形成する。ここでの転位ピッチ（転位撚渡り部長さ）Ｐとしては、２０ｍｍ〜５００ｍｍ程度の範囲内とされる。
【００２６】
本実施形態の転位超電導テープユニット１５によれば、上記テープ状の超電導導体１８の複数本と、上記テープ状の補強材１６の複数本とが転位撚り合わされてなるものであるので、転位撚り合わされた複数本のテープ状の超電導導体１８間や外側に上記テープ状の補強材１６が組み込まれる構造となり、十分な超電導特性を有するうえ、機械的強度を向上させることができる。
なお、本実施形態では、転位超電導テープユニット１５を８本のテープ状の超電導導体１８と４本のテープ状の補強材１６とから構成した場合について説明したが、要求される超電導特性や機械的強度に応じてテープ状の超電導導体１８やテープ状の補強材１６の本数を選択することで目的とする特性を備えた転位超電導テープユニットの提供が可能である。
【００２７】
（転位超電導テープユニットの第２の実施形態）
図３は、本発明の転位超電導テープユニットの第２の実施形態を示す斜視図である。
この第２の実施形態の転位超電導テープユニット５５が図１に示した第１の実施形態の転位超電導テープユニット１５と異なるところは、転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材１６が通されており、即ち、転位超電導テープユニットの中央部を縦断するようにテープ状の補強材１６が組み込まれている点である。
【００２８】
第２の実施形態の転位超電導テープユニット５５では、転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材１６が通されているので、第１の実施形態の転位超電導テープユニット１５よりもさらに機械的強度を向上させることができる。また、転位超電導テープユニット５５の中央部に通されたテープ状の補強材１６は、縦に配置されているので、左右に並列されたテープ状の超電導導体１８、１８の間に介在されることとなり、テープ状の超電導導体１８・・・の左右方向（横方向）の位置ずれを防止できる。
【００２９】
（転位超電導テープユニットの第３の実施形態）
図４は、本発明の転位超電導テープユニットの第３の実施形態を示す斜視図である。
この第３の実施形態の転位超電導テープユニット３５は、複数本（図面では１２本）のテープ状の超電導導体（超電導テープ）１８を転位撚り合わせた転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材１６が通されており、即ち、転位超電導テープユニットの中央部を縦断するようにテープ状の補強材１６が組み込まれている点である。
【００３０】
本実施形態の転位超電導テープユニット３５によれば、転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材１６が通されているので、転位超電導テープユニットの中央部にテープ状の補強材１６が組み込まれる構造となり、組み込まれるテープ状の補強材１６が少なくても十分な超電導特性を有するうえ、機械的強度を向上させることができる。また、この転位超電導テープユニット３５は、組み込まれるテープ状の補強材１６の本数が少なくても機械的強度を向上できるので、コンパクトでしかも効果的に補強効果を得ることができる。このような効果は、特に、転位超電導テープユニットに組み込まれるテープ状の超電導導体１８の本数が４本か５本以上である場合や、テープ状の超電導導体１８の厚みが厚い場合、例えば、０．３ｍｍ以上ある場合に特に顕著な効果を発揮できる。
また、転位超電導テープユニット３５の中央部に通されたテープ状の補強材１６は、縦に配置されているので、左右に並列されたテープ状の超電導導体１８、１８の間に介在されることとなり、転位超電導テープユニットを構成する複数のテープ状の超電導導体１８の左右方向（横方向）の位置ずれを防止できる。
【００３１】
（超電導ケーブルの実施形態）
図５は、本発明の実施形態の転位超電導テープユニットを用いた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４０は、転位超電導テープユニット４５がパイプ状のフォーマ（管体）４７の周囲に螺旋状に巻回されてなるものである。ここで用いられる転位超電導テープユニット４５は、上述した第１乃至第３の実施形態の転位超電導テープユニット１５、５５、３５のうちいずれか１種または２種以上が用いられる。
このような転位超電導テープユニット４５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】
上記フォーマ４７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４７の表面は、該フォーマ４７と転位超電導テープユニット４５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４７の内部は、液体窒素等の冷却媒体の流路とされ、転位超電導テープユニット４５を構成するテープ状の超電導導体１８の冷却が行われる。
【００３３】
このような構成の超電導ケーブル４０の製造方法としては、例えば、上記転位超電導テープユニット４５の複数組を表面に絶縁処理が施されたフォーマ４７の周囲に所定のスパイラルピッチでＺ巻あるいはＳ巻で巻回することにより、図５に示すような超電導ケーブル４０が得られる。ここでのスパイラルピッチとしては、１００〜２０００ｍｍ程度の範囲内とされる。
このような構成の超電導ケーブル４０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。
【００３４】
本実施形態の超電導ケーブル４０は、超電導特性が十分で、機械的強度を向上させた本発明の実施形態の転位超電導テープユニット４５が用いられたものであるので、優れた特性を有するものとすることができる。
なお、上述した実施形態においては、本発明の実施形態の転位超電導テープユニットを超電導ケーブルに用いた場合について説明したが、本発明の転位超電導テープユニットは超電導変圧器、超電導マグネット、超電導限流器等の超電導応用機器の巻線部に用いることができる。本発明の転位超電導テープユニットが巻線部に用いられた超電導応用機器は、優れた特性を有するものとすることができる。
【００３５】
【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、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例）
Ｂｉ2Ｏ3，ＰｂＯ，ＳｒＣＯ3，ＣａＣＯ3，ＣｕＯ、を、Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕの混合比が１．８：０．４：２．２：３．０となるように混合し、８００℃の温度条件において行う熱処理（仮焼き）と該仮焼きした後における粉砕とを複数回繰り返して、原料粉末を得た。
この原料粉末をＣＩＰ（冷間静水圧プレス）成形により円筒状として、外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍのＡｇパイプ（第一のパイプ）内部に充填して封入し、Ａｇシース複合体を得た。このＡｇシース複合体をダイス等によって線径１．９ｍｍにまで伸線加工して単心線を形成した。ついで、外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍのＡｇパイプ（第二のパイプ）の内部に上記単心線を１９本配置し、封入を行った後、ダイス等により線径０．９ｍｍにまで伸線加工して、超電導多心素線を形成した。
【００３６】
この超電導多心素線を、２重圧延機と搬送機からなる圧延装置を用いて厚さ０．３０ｍｍまで圧延加工を施し、平坦化した。さらにこの平坦化した超電導素線を熱処理ドラムに巻回した状態で、上述の電気炉の内部に収容し、温度条件が８３０℃、処理時間が１５０時間として熱処理を行った。
更に、上記圧延加工（またはプレス処理）および熱処理を複数回繰り返して、幅２．０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍの横断面形状が矩形状のテープ状の超電導素線を形成した。
ついで、硫化処理装置を用い、反応容器の内部を真空排気した後、該反応容器に約１５０゜Ｃの硫黄蒸気を供給し、ついで、送出ドラムからテープ状の超電導素線を線速２０ｃｍ／時間で上記硫黄蒸気が満たされた反応容器内に送り出すとともに硫化処理が施されたテープ状の超電導素線を巻取ドラムで巻き取ると、表面に黒色の硫化銀からなる高抵抗化膜を有するテープ状の超電導導体（超電導テープ）が得られた。なお、ここでの反応容器内の雰囲気圧力は、約１ａｔｍ（１．０１３２５×１０5Ｐａ）であった。
一方、オーステナイト系ステンレス鋼からなる線状の補強材を、２重圧延機と搬送機からなる圧延装置を用いて圧延加工（またはプレス処理）を複数回繰り返して、幅２．０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍの横断面形状が矩形状のテープ状の補強材（ＳＵＳテープ）を形成した。
【００３７】
ついで、作製した上記テープ状の超電導導体８本と、テープ状の補強材４本とを転位撚り合せ機を用いて転位ピッチ１００ｍｍで転位撚り合わせて図１に示すような転位超電導テープユニット（実施例１）を得た。
また、作製した上記テープ状の超電導導体１２本を転位撚り合せ機を用いて転位撚り合わせる際、転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材を通すようにすることにより、図４に示すような転位超電導テープユニット（実施例２）を得た。
また、作製した上記テープ状の超電導導体８本を転位撚り合せ機を用いて転位ピッチ１００ｍｍで転位撚り合わせて転位超電導テープユニット（比較例１）を得た。
また、作製した上記テープ状の超電導導体１２本を転位撚り合せ機を用いて転位ピッチ１００ｍｍで転位撚り合わせて転位超電導テープユニット（比較例２）を得た。
【００３８】
次に、このようにして得られた実施例１〜２と比較例１〜２の転位超電導テープユニットの超電導特性と機械的強度を測定した。ここでの超電導特性は、７７Ｋ、０テスラにおける臨界電流（Ａ）を測定した。また、ここでの機械的強度は、作製した転位超電導テープユニットの両端をＳＵＳ板（ステンレス鋼板）ではさみ込んでネジ止め（かしめ固定）し、有効長３００ｍｍに引張試験機を用いて５tonの荷重をかけて試験を行うことにより測定した。その結果を下記表１に示す。表１中の臨界電流は、１μｍ／ｃｍ以上示すときの値である。また、表１中の機械的強度は、永久伸びの値が０．２％のときの耐力である。
【００３９】
【００４０】
表１に示した結果から８本のテープ状の超電導導体と、４本のテープ状の補強材（ＳＵＳテープ）とを転位撚り合わせた実施例１の転位超電導テープユニットは、８本のテープ状の超電導導体を転位撚り合わせた比較例１の転位超電導テープユニットと同等以上の臨界電流が得られており、また、機械的強度については比較例１のものより大幅に強度が優れていることがわかる。
また、１２本のテープ状の超電導導体を撚り合わせる際、転位超電導テープユニット中央部に縦に配置されたテープ状の補強材が通されるようにした実施例２の転位超電導テープユニットは、１２本のテープ状の超電導導体を転位撚り合わせた比較例２の転位超電導テープユニットと同等以上の臨界電流が得られており、また、機械的強度については比較例２のものより大幅に強度が優れていることがわかる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の転位超電導テープユニットによれば、十分な超電導特性を有するうえ、強度を向上させたものが得られる。
また、本発明の超電導応用機器によれば、十分な超電導特性を有するうえ、機械的強度を向上させた本発明の転位超電導テープユニットが用いられているので、優れた特性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の転位超電導テープユニットの第１の実施形態を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】 図１の転位超電導テープユニットを構成するテープ状の超電導素線に用いられる超電導素線の説明図である。
【図３】 本発明の転位超電導テープユニットの第２の実施形態を示す斜視図である。
【図４】 本発明の転位超電導テープユニットの第３の実施形態を示す斜視図である。
【図５】 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６】 従来の転位超電導テープユニットが備えられた超電導ケーブルの例を示す斜視図である。
【図７】 図６の超電導ケーブルに備えられた転位超電導テープユニットの説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図８】 従来の超電導テープユニットが備えられた超電導変圧器の巻線部の例を示す図である。
【図９】 図８に示した巻線部の要部を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は超電導素線の層内転位部の詳細構造を示す図である。
【符号の説明】
１５、３５、４５、５５・・・転位超電導テープユニット、１６・・・テープ状の補強材（補強テープ）、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・・・高抵抗化膜、２５・・・超電導多心素線（超電導素線）、２７・・・超電導体または超電導体となる材料、２８・・・コア部、２９・・・基地（シース材）、４０・・・超電導ケーブル、４７・・・フォーマ（管体）、Ｐ・・・転位ピッチ。
【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応用機器に係わり、詳しくは十分な超電導特性を有するうえ、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超電導応用機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導ケーブル、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、テープ状の超電導素線や、テープ状の超電導導体や、あるい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が用いられている。
図６は、従来の転位超電導テープユニットが備えられた超電導ケーブルの例を示す斜視図であり、図７は、図６の超電導ケーブルに備えられた転位超電導テープユニットの説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
図６の超電導ケーブル１１０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、転位超電導テープユニット１１５がパイプ状のフォーマ（管体）１１７の周囲に螺旋状に巻回されてなるものである。この転位超電導テープユニット１１５は、図７（ａ）に示すようにテープ状の超電導導体（超電導テープ）１１８を複数本（図面では５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１１５では、テープ状の超電導導体１１８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１１８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。
【０００３】
フォーマ１１７の表面は、該フォーマ１１７と転位超電導テープユニット１１５間の通電を抑制するために絶縁処理が施されている。また、このフォーマ１１７の内部は、冷却媒体の流路とされ、テープ状の超電導導体１１８の冷却が行われる。
テープ状の超電導導体１１８は、図７（ｂ）に示すように、超電導多心素線（超電導素線）が平坦化されてなるテープ状の超電導素線１１９の表面に硫化処理が施されて高抵抗化膜１２０が形成されてなるものである。上記超電導多心素線は、Ａｇ等から形成されたシース材からなる基地の内部に、超電導フィラメントなどの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備えられてなるものである。上記コア部の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相）、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）などで示される組成を持つものが用いられる。
上記のような構成の超電導ケーブル１１０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。
【０００４】
図８は、従来の超電導テープが備えられた超電導変圧器の巻線部の例を示す図であり、図９はこの巻線部の要部を示す図である。
この巻線部１３０は、円筒形の巻枠１４０と、この巻枠１４０に巻かれたテープ状の超電導導体（超電導テープ）１４５とから構成されたものが知られている。巻枠１４０には、図９に示すように複数の溝１４１が略平行に形成されている。ここでのテープ状の超電導導体１４５のコア部としては、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）等の超電導体あるいは熱処理により超電導体となる材料が用いられている。ここで用いられる超電導導体１４５がテープ状とされるのは、酸化物超電導体、特に、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）等の超電導体は結晶の配向性（特にＡＢ面の配向性）を揃え高臨界電流特性化を図るためであり、通常、圧延加工と熱処理を繰り返すことにより高特性化を行っている。
【０００５】
各溝１４１内には上記のようなテープ状の超電導導体１４５が複数積層（図面では３層積層）され、嵌め入れられることにより巻枠１４０に巻き付けられているが、その際、図９の（ｂ）に示すように一つの溝１４１ａに嵌められた最外層の超電導導体１４５ｃは途中から緩やかに次の溝１４１ｂに移行してこの溝１４１ｂに嵌め入れられ、その後、所定の間隔をあけて次の層（最外層の下側の層）の超電導導体１４５ｂが次の溝１４１ｂに途中から緩やかに移行してこの溝１４１ｂに嵌め入れられて先に移行させた超電導導体１４５ｃの外側（上）に巻く方法（層内転位法）が採用されている。
このような超電導変圧器の巻線部１３０では、超電導導体の補強のために隣接する溝１４１、１４１間隔（スペーサ間隔）を小さくしている。
【０００６】
次に、強磁場で使用される超電導マグネットにおいては、磁場発生時において強大な電磁力が巻線部に加わる。そのため巻線部に備えられるテープ状の超電導導体の高強度化のために各種の開発がなされている。高強度化された従来のテープ状の超電導導体の例としては、銀シースにＣｕ等の元素を添加したものや、コア部材料としてＢｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏx （Ｂｉ２２１２相）を用いたものを液体ヘリウム中で使用するようにしたものが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような超電導応用機器に用いられた従来のテープ状の超電導導体や転位超電導テープユニットは、強度を十分に向上できないという問題があった。特に、シース材の高強度化によりテープ状の超電導導体を強度を向上する方法では、Ｍｇ、Ｓｂ、Ｍｎ等を銀中に０．１〜０．３ｗｔ％添加した銀合金シース材を超電導導体の外周部分に用いており、この場合、超電導導体の製造工程で行う熱処理時（約８００℃〜９００℃で、数百時間程度）に上記の添加元素の拡散により超電導特性の低下を引き起こすのを避けるために、添加元素の添加量が０．３ｗ％以下に制約されるため、導体の補強効果もある一定のレベル以下に制約されてしまう。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、十分な超電導特性を有するうえ、強度を向上させた転位超電導テープユニットを提供することを目的とする。
また、本発明は、十分な超電導特性を有するうえ、機械的強度を向上させた転位超電導テープユニットを用いた超電導ケーブル、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の提供を他の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、テープ状の超電導導体の複数本と、１本以上のテープ状の補強材とが転位撚り合わされてなる転位超電導テープユニットにおいて、前記転位超電導テープユニットの中央部に、縦に配置されたテープ状の補強材が通されたことを特徴とする転位超電導テープユニットを上記課題の解決手段とした。
【００１０】
また、本発明は、テープ状の超電導導体の複数本が転位撚り合わされてなる転位超電導テープユニットにおいて、前記転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材が通されていることを特徴とする転位超電導テープユニットを上記課題の解決手段とした。
上記のいずれかの構成の本発明の転位超電導テープユニットにおいて、上記テープ状の補強材は、非磁性金属材料又は非磁性のオーステナイト系金属材料からなるものであってもよい。上記非磁性金属材料としては、ハステロイ等を用いることができる。上記非磁性のオーステナイト系金属材料としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼等を用いることができる。
【００１１】
本発明において、上記テープ状の超電導導体としては、テープ状の超電導素線の表面に硫化処理が施されて高抵抗化膜が形成されたものであってもよい。
本発明において、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平坦化してなるものであり、前記高抵抗化膜は前記基地を形成するシース材よりも電気抵抗率の高いものであることが好ましい。
上記コア部をなす超電導体またはコア部の熱処理により超電導体となる材質としては、単体では機械的に脆い性質を有する超電導材料が挙げることができ、例えば、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏx （Ｂｉ２２１２相）、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）、Ｂｉ1.6Ｐｂ0.4Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-xなどで示される組成をもつ酸化物超電導材料のような高温超電導材料や、Ｎｂ3Ｓｎ、Ｎｂ3Ａｌなどで示される組成をもつ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、Ｂｉ系２２２３相またはＢｉ系２２１２相のＢｉ系酸化物超電導材料が用いられることが好ましい。
【００１２】
上記シース材が、Ａｇ，Ｐｔ，Ａｕ等の貴金属あるいはそれらの合金からなるものであることが好ましい。
上記高抵抗化膜は、上記シース材の硫化物からなるものであることが好ましく、このなかでも硫化銀からなることがさらに好ましい。
【００１３】
また、本発明は、上記のいずれかの構成の本発明の転位超電導テープユニットを用いたことを特徴とする超電導応用機器を上記課題の解決手段とした。
また、本発明は、上記のいずれかの構成の本発明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を上記課題の解決手段とした。
本発明の超電導ケーブルにおいては、これに用いられる本発明の転位超電導テープユニットを構成する上記テープ状の超電導導体の横断面形状とテープ状の補強材の横断面形状がそれぞれ矩形状であることが好ましい。
上記管体は、ステンレス鋼製とされることが好ましい。
【００１４】
【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と、これを用いた超電導応用機器の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
（転位超電導テープユニットの第１の実施形態）
図１は、本発明の転位超電導テープユニットの第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
本実施形態の転位超電導テープユニット１５は、図１（ａ）に示すように複数本（図面では８本）のテープ状の超電導導体（超電導テープ）１８と、複数本（図面では４本）のテープ状の補強材（補強テープ）１６とが転位撚り合わせてなる長尺の帯状のものである。さらに詳しくは、テープ状の超電導導体（超電導テープ）１８を上下左右に積層した積層体（図面では超電導導体１８を４本束ねた積層体）１８ａ、１８ａの間にテープ状の補強材１６、１６が左右に並列され、さらに一方の積層体１８ａの上にテープ状の補強材１６が添設され、他方の積層体１８ａの下にテープ状の補強材１６が添設されており、さらにこれらの複数本のテープ状の超電導導体１８と複数本のテープ状の補強材１６は撚り合わす際に、各テープ状の超電導導体１８や各テープ状の補強材１６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。
【００１５】
上記テープ状の超電導導体１８は、図１（ｂ）に示すようにテープ状の超電導素線１９の表面に硫化処理が施されて高抵抗化膜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の具体的寸法は、幅１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲のものとされる。
上記高抵抗化膜２０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。このような高抵抗化膜２０は、後述する基地２９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１８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１８のシース材２９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１８の内部に渦電流が留まるようにできる点で好ましい。例えば、基地２９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２９の周囲の高抵抗化膜２０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。
【００１６】
上記テープ状の超電導素線１９は、図２に示すような超電導多心素線（超電導素線）２５が平坦化されてなるものである。この超電導素線１９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１９は、幅１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲のものとされる。
上記超電導多心素線２５は、超電導フィラメントなどの複数本の超電導体２７からなるコア部２８または熱処理により超電導体となる材料２７を有するコア部２８がシース材からなる基地２９の内部に備えられてなるものである。
【００１７】
コア部２８の超電導体２７あるいは熱処理により超電導体となる材料２７としては、単体では機械的に脆い性質を有する超電導材料が挙げることができ、例えば、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏx （Ｂｉ２２１２相）、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy（Ｂｉ２２２３相）、Ｂｉ1.6Ｐｂ0.4Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏx、Ｔｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏy、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-xなどで示される組成をもつ酸化物超電導材料のような高温超電導材料や、Ｎｂ3Ｓｎ、Ｎｂ3Ａｌなどで示される組成をもつ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、Ｂｉ系２２２３相またはＢｉ系２２１２相のＢｉ系酸化物超電導材料が用いられる。
基地２９を形成するシース材としては、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。
【００１８】
テープ状の補強材１６は、非磁性金属材料又は非磁性のオーステナイト系金属材料からなるものが用いられる。上記非磁性金属材料としては、ハステロイ等を用いることができる。上記非磁性のオーステナイト系金属材料としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼等を用いることができる。
このテープ状の補強材１６の横断面形状は、超電導導体１８の横断面形状と同様の矩形状とすることが好ましい。この補強材１６の具体的寸法は、幅１．０ｍｍ〜５．０ｍｍ程度、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の範囲のものとされる。
【００１９】
次に、図１に示した転位超電導テープユニット１５の製造方法の一例を工程順に説明する。
〔原料粉末処理工程〕
酸化物超電導物質の原料粉末、例えばＢｉ2Ｏ3，ＰｂＯ，ＳｒＣＯ3 ，ＣａＣＯ3 ，ＣｕＯ、からなるものを、Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕの混合比が１．８：０．４：２．２：３．０となるように混合し、７８０℃〜８２０℃の範囲の温度条件においておこなう熱処理（仮焼き）と該仮焼きした後における粉砕とを複数回繰り返す。
ここで、混合する原料粉末は、上記の他にＢｉ，Ｐｂ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕの各元素の酸化物、炭酸塩のいずれでもよい。
〔充填工程〕
上記粉砕した原料粉末をＣＩＰ（冷間静水圧プレス）成形等により例えば円柱体とし、ついでこの円柱体をＡｇ等のシース材からなる第一のパイプ内部に充填して封入し、シース材複合体（Ａｇシース複合体）を形成する。
【００２０】
〔単心線の伸線（引き抜き）加工工程〕
上記シース材複合体（Ａｇシース複合体）を、ダイス等によって所定の線径にまで伸線加工し、超電導単心素線（単心線）を形成する。
〔多心化工程〕
Ａｇ等のシース材からなる第二のパイプの内部に上記単心線を所定数（例えば、１９本）配置し、封入を行った後、ダイス等により所定の線径にまで伸線加工して、図２に示すような超電導多心素線（超電導素線）２５を形成する。
【００２１】
〔超電導素線の圧延熱処理反復工程〕
上記超電導多心素線２５をロール圧延等の圧延加工により、所定の厚さまで圧延して平坦化する。ここでの圧延加工に用いる装置としては、例えば、上下一対のロールを備えた２重圧延機と、このロール間に超電導多心素線２５を送り出す送出ドラムと上記ロール間で圧延された超電導多心素線２５を巻き取る巻取ドラムとからなる搬送機からなる圧延装置（図示略）が好適に用いられる。このような圧延装置を用いて超電導多心素線２５を圧延するには、上記送出ドラムから超電導多心素線２５を上記ロール間に送り出して圧延するとともに圧延された超電導多心素線２５を巻取ドラムで巻き取ることにより行われる。
ついで、この平坦化した超電導多心素線２５を、例えば熱処理ドラムに巻回状態として電気炉等の内部に収容し、温度条件を、８２０℃〜８５０℃の範囲とし、処理時間を、１０時間〜２００時間の範囲に設定して熱処理を行う。
更に、上記圧延加工（またはプレス処理）および熱処理を複数回繰り返して、所定の厚みのテープ状の超電導素線１９を形成する。
【００２２】
〔超電導素線の硫化工程〕
上記テープ状の超電導素線１９の表面に硫化処理を施して高抵抗化膜２０を形成することにより、図１に示すようなテープ状の超電導導体（超電導テープ）１８を形成する。
ここでの硫化処理に用いる装置としては、例えば、真空排気可能であり、内部に硫黄蒸気が満たされる反応容器と、該反応容器内にテープ状の超電導素線１９を送り出す送出ドラムと、上記反応容器内で硫化処理が施されたテープ状の超電導素線１９を巻き取る巻取ドラムとからなる硫化処理装置が好適に用いられる。上記反応容器には、テープ状の超電導素線１９を内部に導入する導入孔と、導入されたテープ状の超電導素線１９を導出するための導出孔が形成されており、これら導入孔と導出孔の周縁部には、テープ状の超電導素線１９を通過させている状態で各孔の隙間を閉じて上記反応容器内を気密状態にする封止機構が設けられている。また、上記反応容器には、ヒータ（図示略）が備えられており、この反応容器を加熱できるようになっている。
【００２３】
このような硫化処理装置を用いてテープ状の超電導素線１９の表面に硫化処理を施すには、上記反応容器の内部を真空排気した後、該反応容器内に所定温度範囲の硫黄蒸気を供給し、ついで、上記送出ドラムからテープ状の超電導素線１９を上記硫黄蒸気が満たされた上記反応容器内に送り出すとともに硫化処理が施されたテープ状の超電導素線１９を上記巻取ドラムで巻き取ると、表面に高抵抗化膜２０を有するテープ状の超電導導体（超電導テープ）１８が得られる。上記の反応容器内に供給される硫黄蒸気としては、二塩化硫黄、二塩化二硫黄、二酸化硫黄などの蒸気を挙げることができる。上記反応容器内に供給される硫黄蒸気の温度としては、５０゜Ｃ〜１７０゜Ｃ程度の範囲内とされる。上記反応容器内の温度としては、供給された硫黄蒸気が液化しないような温度である。硫化処理時間としては、６０〜３００００秒程度である。ここでの硫化処理時間は、上記反応容器内に送り込むテープ状の超電導素線１９の線速等によって変更できる。
【００２４】
〔補強材の圧延反復工程〕
線状の補強材（テープ状にする前の補強材１６）をロール圧延等の圧延加工により、所定の厚さまで圧延して平坦化する。ここでの圧延加工に用いる装置としては、例えば、上下一対のロールを備えた２重圧延機と、このロール間に線状の補強材を送り出す送出ドラムと上記ロール間で圧延された補強材１６を巻き取る巻取ドラムとからなる搬送機からなる圧延装置（図示略）が好適に用いられる。このような圧延装置を用いて上記線状の補強材を圧延するには、上記送出ドラムから線状の補強材を上記ロール間に送り出して圧延するとともに圧延された補強材を巻取ドラムで巻き取ることにより行われる。
更に、上記圧延加工（またはプレス処理）を複数回繰り返して、所定の厚みのテープ状の補強材１６を形成する。
【００２５】
〔転位撚り合せ工程〕
転位撚り合せ機を用いて上記テープ状の超電導導体１８の複数本（本実施形態では８本）と、テープ状の補強材１６の複数本（本実施形態では４本）とを所定の転位ピッチで転位撚り合わせて図１に示すような転位超電導テープユニット１５を形成する。ここでの転位ピッチ（転位撚渡り部長さ）Ｐとしては、２０ｍｍ〜５００ｍｍ程度の範囲内とされる。
【００２６】
本実施形態の転位超電導テープユニット１５によれば、上記テープ状の超電導導体１８の複数本と、上記テープ状の補強材１６の複数本とが転位撚り合わされてなるものであるので、転位撚り合わされた複数本のテープ状の超電導導体１８間や外側に上記テープ状の補強材１６が組み込まれる構造となり、十分な超電導特性を有するうえ、機械的強度を向上させることができる。
なお、本実施形態では、転位超電導テープユニット１５を８本のテープ状の超電導導体１８と４本のテープ状の補強材１６とから構成した場合について説明したが、要求される超電導特性や機械的強度に応じてテープ状の超電導導体１８やテープ状の補強材１６の本数を選択することで目的とする特性を備えた転位超電導テープユニットの提供が可能である。
【００２７】
（転位超電導テープユニットの第２の実施形態）
図３は、本発明の転位超電導テープユニットの第２の実施形態を示す斜視図である。
この第２の実施形態の転位超電導テープユニット５５が図１に示した第１の実施形態の転位超電導テープユニット１５と異なるところは、転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材１６が通されており、即ち、転位超電導テープユニットの中央部を縦断するようにテープ状の補強材１６が組み込まれている点である。
【００２８】
第２の実施形態の転位超電導テープユニット５５では、転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材１６が通されているので、第１の実施形態の転位超電導テープユニット１５よりもさらに機械的強度を向上させることができる。また、転位超電導テープユニット５５の中央部に通されたテープ状の補強材１６は、縦に配置されているので、左右に並列されたテープ状の超電導導体１８、１８の間に介在されることとなり、テープ状の超電導導体１８・・・の左右方向（横方向）の位置ずれを防止できる。
【００２９】
（転位超電導テープユニットの第３の実施形態）
図４は、本発明の転位超電導テープユニットの第３の実施形態を示す斜視図である。
この第３の実施形態の転位超電導テープユニット３５は、複数本（図面では１２本）のテープ状の超電導導体（超電導テープ）１８を転位撚り合わせた転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材１６が通されており、即ち、転位超電導テープユニットの中央部を縦断するようにテープ状の補強材１６が組み込まれている点である。
【００３０】
本実施形態の転位超電導テープユニット３５によれば、転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材１６が通されているので、転位超電導テープユニットの中央部にテープ状の補強材１６が組み込まれる構造となり、組み込まれるテープ状の補強材１６が少なくても十分な超電導特性を有するうえ、機械的強度を向上させることができる。また、この転位超電導テープユニット３５は、組み込まれるテープ状の補強材１６の本数が少なくても機械的強度を向上できるので、コンパクトでしかも効果的に補強効果を得ることができる。このような効果は、特に、転位超電導テープユニットに組み込まれるテープ状の超電導導体１８の本数が４本か５本以上である場合や、テープ状の超電導導体１８の厚みが厚い場合、例えば、０．３ｍｍ以上ある場合に特に顕著な効果を発揮できる。
また、転位超電導テープユニット３５の中央部に通されたテープ状の補強材１６は、縦に配置されているので、左右に並列されたテープ状の超電導導体１８、１８の間に介在されることとなり、転位超電導テープユニットを構成する複数のテープ状の超電導導体１８の左右方向（横方向）の位置ずれを防止できる。
【００３１】
（超電導ケーブルの実施形態）
図５は、本発明の実施形態の転位超電導テープユニットを用いた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４０は、転位超電導テープユニット４５がパイプ状のフォーマ（管体）４７の周囲に螺旋状に巻回されてなるものである。ここで用いられる転位超電導テープユニット４５は、上述した第１乃至第３の実施形態の転位超電導テープユニット１５、５５、３５のうちいずれか１種または２種以上が用いられる。
このような転位超電導テープユニット４５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】
上記フォーマ４７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４７の表面は、該フォーマ４７と転位超電導テープユニット４５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４７の内部は、液体窒素等の冷却媒体の流路とされ、転位超電導テープユニット４５を構成するテープ状の超電導導体１８の冷却が行われる。
【００３３】
このような構成の超電導ケーブル４０の製造方法としては、例えば、上記転位超電導テープユニット４５の複数組を表面に絶縁処理が施されたフォーマ４７の周囲に所定のスパイラルピッチでＺ巻あるいはＳ巻で巻回することにより、図５に示すような超電導ケーブル４０が得られる。ここでのスパイラルピッチとしては、１００〜２０００ｍｍ程度の範囲内とされる。
このような構成の超電導ケーブル４０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。
【００３４】
本実施形態の超電導ケーブル４０は、超電導特性が十分で、機械的強度を向上させた本発明の実施形態の転位超電導テープユニット４５が用いられたものであるので、優れた特性を有するものとすることができる。
なお、上述した実施形態においては、本発明の実施形態の転位超電導テープユニットを超電導ケーブルに用いた場合について説明したが、本発明の転位超電導テープユニットは超電導変圧器、超電導マグネット、超電導限流器等の超電導応用機器の巻線部に用いることができる。本発明の転位超電導テープユニットが巻線部に用いられた超電導応用機器は、優れた特性を有するものとすることができる。
【００３５】
【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、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例）
Ｂｉ2Ｏ3，ＰｂＯ，ＳｒＣＯ3，ＣａＣＯ3，ＣｕＯ、を、Ｂｉ：Ｐｂ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕの混合比が１．８：０．４：２．２：３．０となるように混合し、８００℃の温度条件において行う熱処理（仮焼き）と該仮焼きした後における粉砕とを複数回繰り返して、原料粉末を得た。
この原料粉末をＣＩＰ（冷間静水圧プレス）成形により円筒状として、外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍのＡｇパイプ（第一のパイプ）内部に充填して封入し、Ａｇシース複合体を得た。このＡｇシース複合体をダイス等によって線径１．９ｍｍにまで伸線加工して単心線を形成した。ついで、外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍのＡｇパイプ（第二のパイプ）の内部に上記単心線を１９本配置し、封入を行った後、ダイス等により線径０．９ｍｍにまで伸線加工して、超電導多心素線を形成した。
【００３６】
この超電導多心素線を、２重圧延機と搬送機からなる圧延装置を用いて厚さ０．３０ｍｍまで圧延加工を施し、平坦化した。さらにこの平坦化した超電導素線を熱処理ドラムに巻回した状態で、上述の電気炉の内部に収容し、温度条件が８３０℃、処理時間が１５０時間として熱処理を行った。
更に、上記圧延加工（またはプレス処理）および熱処理を複数回繰り返して、幅２．０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍの横断面形状が矩形状のテープ状の超電導素線を形成した。
ついで、硫化処理装置を用い、反応容器の内部を真空排気した後、該反応容器に約１５０゜Ｃの硫黄蒸気を供給し、ついで、送出ドラムからテープ状の超電導素線を線速２０ｃｍ／時間で上記硫黄蒸気が満たされた反応容器内に送り出すとともに硫化処理が施されたテープ状の超電導素線を巻取ドラムで巻き取ると、表面に黒色の硫化銀からなる高抵抗化膜を有するテープ状の超電導導体（超電導テープ）が得られた。なお、ここでの反応容器内の雰囲気圧力は、約１ａｔｍ（１．０１３２５×１０5Ｐａ）であった。
一方、オーステナイト系ステンレス鋼からなる線状の補強材を、２重圧延機と搬送機からなる圧延装置を用いて圧延加工（またはプレス処理）を複数回繰り返して、幅２．０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍの横断面形状が矩形状のテープ状の補強材（ＳＵＳテープ）を形成した。
【００３７】
ついで、作製した上記テープ状の超電導導体８本と、テープ状の補強材４本とを転位撚り合せ機を用いて転位ピッチ１００ｍｍで転位撚り合わせて図１に示すような転位超電導テープユニット（実施例１）を得た。
また、作製した上記テープ状の超電導導体１２本を転位撚り合せ機を用いて転位撚り合わせる際、転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材を通すようにすることにより、図４に示すような転位超電導テープユニット（実施例２）を得た。
また、作製した上記テープ状の超電導導体８本を転位撚り合せ機を用いて転位ピッチ１００ｍｍで転位撚り合わせて転位超電導テープユニット（比較例１）を得た。
また、作製した上記テープ状の超電導導体１２本を転位撚り合せ機を用いて転位ピッチ１００ｍｍで転位撚り合わせて転位超電導テープユニット（比較例２）を得た。
【００３８】
次に、このようにして得られた実施例１〜２と比較例１〜２の転位超電導テープユニットの超電導特性と機械的強度を測定した。ここでの超電導特性は、７７Ｋ、０テスラにおける臨界電流（Ａ）を測定した。また、ここでの機械的強度は、作製した転位超電導テープユニットの両端をＳＵＳ板（ステンレス鋼板）ではさみ込んでネジ止め（かしめ固定）し、有効長３００ｍｍに引張試験機を用いて５tonの荷重をかけて試験を行うことにより測定した。その結果を下記表１に示す。表１中の臨界電流は、１μｍ／ｃｍ以上示すときの値である。また、表１中の機械的強度は、永久伸びの値が０．２％のときの耐力である。
【００３９】
表１に示した結果から８本のテープ状の超電導導体と、４本のテープ状の補強材（ＳＵＳテープ）とを転位撚り合わせた実施例１の転位超電導テープユニットは、８本のテープ状の超電導導体を転位撚り合わせた比較例１の転位超電導テープユニットと同等以上の臨界電流が得られており、また、機械的強度については比較例１のものより大幅に強度が優れていることがわかる。
また、１２本のテープ状の超電導導体を撚り合わせる際、転位超電導テープユニット中央部に縦に配置されたテープ状の補強材が通されるようにした実施例２の転位超電導テープユニットは、１２本のテープ状の超電導導体を転位撚り合わせた比較例２の転位超電導テープユニットと同等以上の臨界電流が得られており、また、機械的強度については比較例２のものより大幅に強度が優れていることがわかる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の転位超電導テープユニットによれば、十分な超電導特性を有するうえ、強度を向上させたものが得られる。
また、本発明の超電導応用機器によれば、十分な超電導特性を有するうえ、機械的強度を向上させた本発明の転位超電導テープユニットが用いられているので、優れた特性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の転位超電導テープユニットの第１の実施形態を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】 図１の転位超電導テープユニットを構成するテープ状の超電導素線に用いられる超電導素線の説明図である。
【図３】 本発明の転位超電導テープユニットの第２の実施形態を示す斜視図である。
【図４】 本発明の転位超電導テープユニットの第３の実施形態を示す斜視図である。
【図５】 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６】 従来の転位超電導テープユニットが備えられた超電導ケーブルの例を示す斜視図である。
【図７】 図６の超電導ケーブルに備えられた転位超電導テープユニットの説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図８】 従来の超電導テープユニットが備えられた超電導変圧器の巻線部の例を示す図である。
【図９】 図８に示した巻線部の要部を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は超電導素線の層内転位部の詳細構造を示す図である。
【符号の説明】
１５、３５、４５、５５・・・転位超電導テープユニット、１６・・・テープ状の補強材（補強テープ）、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・・・高抵抗化膜、２５・・・超電導多心素線（超電導素線）、２７・・・超電導体または超電導体となる材料、２８・・・コア部、２９・・・基地（シース材）、４０・・・超電導ケーブル、４７・・・フォーマ（管体）、Ｐ・・・転位ピッチ。
Claims (5)
- テープ状の超電導導体の複数本と、１本以上のテープ状の補強材とが転位撚り合わされてなる転位超電導テープユニットにおいて、前記転位超電導テープユニットの中央部に、縦に配置されたテープ状の補強材が通されたことを特徴とする転位超電導テープユニット。
- テープ状の超電導導体の複数本が転位撚り合わされてなる転位超電導テープユニットにおいて、前記転位超電導テープユニットの中央部に縦に配置されたテープ状の補強材が通されていることを特徴とする転位超電導テープユニット。
- テープ状の補強材は、非磁性金属材料又は非磁性のオーステナイト系金属材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の転位超電導テープユニット。
- 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の転位超電導テープユニットを用いたことを特徴とする超電導応用機器。
- 請求項１乃至３のいずれか一項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。
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