(57)【要約】【課題】超電導ケーブルにおいてＳＩの巻きずれに起因する熱侵入を抑制すること。【解決手段】内管および外管の二重管構造の断熱管を有する超電導ケーブルに、超電導ケーブル用の断熱材を設置する超電導ケーブル用断熱材の設置方法であって、樹脂製の不織布シート１６１と、樹脂に金属膜を蒸着した金属蒸着シート１６２とを有する断熱シート材１６０を準備する工程と、複数枚の断熱シート材１６０を重ねた積層体に、加熱したピン２０を貫通させ、断熱シート材１６０同士を溶着する工程と、溶着後の断熱シート材１６０の積層体を、前記内管の外周に巻回して前記内管と前記外管との間に設置する工程と、を備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管および外管の二重管構造の断熱管を有する超電導ケーブルに、超電導ケーブル用の断熱材を設置する超電導ケーブル用断熱材の設置方法であって、
樹脂製の不織布シートと、前記不織布シート上に設けられ、樹脂に金属膜を蒸着した金属蒸着シートとを有する断熱シート材を準備する工程と、
複数枚の前記断熱シート材を重ねた積層体に、加熱したピンを貫通させ、前記断熱シート材同士を溶着する工程と、
溶着後の前記断熱シート材の積層体を、前記内管の外周に巻回して前記内管と前記外管との間に設置する工程と、
を備える超電導ケーブル用断熱材の設置方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導ケーブル用断熱材の設置方法において、
前記断熱シート材同士を溶着する工程では、前記ピンを、前記不織布シートの樹脂および前記金属蒸着シートの樹脂の融点以上の温度で加熱する工程を備える超電導ケーブル用断熱材の設置方法。
【請求項３】
内管および外管の二重管構造の断熱管を有する超電導ケーブルであって、
前記内管の外周には、複数枚の断熱シート材を重ねた積層体が巻回され、
前記断熱シート材は、樹脂製の不織布シートと、前記不織布シート上に設けられ、樹脂に金属膜を蒸着した金属蒸着シートとを有し、
前記断熱シート材の積層体は、これらを貫通する貫通孔と、前記貫通孔の周囲に形成され前記断熱シート材同士を接合する筒状の溶着部とを、備える超電導ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導ケーブル用断熱材の設置方法および超電導ケーブルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、極低温で超電導状態になる超電導線材を導体として用いた超電導ケーブルが知られている。超電導ケーブルは、大電流を低損失で送電可能な電力ケーブルとして期待されており、実用化に向けて開発が進められている。
【０００３】
超電導ケーブルの構成は大きくは、ケーブルコアと２重構造の断熱管とに分けられる。超電導ケーブルでは、ケーブルコアを内管の内部に配置して冷媒を内管に流通させ、内管と外管との間の空間を真空断熱している。
【０００４】
例えば、特許文献１では、当該空間の断熱性能を向上させるために、スーパーインシュレーション（Super Insulation：以下「ＳＩ」という。）を当該空間に充填して輻射による熱侵入を低減している。ＳＩは、アルミ蒸着ポリエステルフィルムにポリエステルのネットや不織布を層状に重ねた断熱シート材である。
【０００５】
特許文献２では、内管が冷媒温度に冷却されて熱収縮し側圧が発生した場合に、内管の屈曲部が局所的に外管に接触し常温環境の外管から冷媒環境の内管へ熱が侵入するのを防止するため、当該空間にＳＩを充填するのに加え、内管の屈曲部において剛性の低い可撓部を設けている。これにより、内管が熱収縮しても内管と外管との接触を抑制し真空断熱を良好に保持しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４６８９９８４号公報
【特許文献２】特開２０１６−１３３２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、常温環境の外管から冷媒環境の内管への熱侵入について、特許文献１および特許文献２には、それぞれの内管と外管との間の空間にＳＩを充填する旨の記載があるにすぎず、これ以上の検討はなされていない。すなわち、当該空間において、ＳＩは内管上に積層されながら巻回され設置されると予想されるが、単に巻回しただけの構成では巻きずれが発生しそれに起因して熱侵入が発生すると考えられる。本願出願人は、ＳＩを長手方向に沿って化繊糸で縫製しこれに対応しようとしたところ、熱侵入の抑制が所望レベルに達しなかったため、さらなる熱侵入の抑制が期待される。
【０００８】
本発明の主な目的は、超電導ケーブルにおいてＳＩの巻きずれに起因する熱侵入を抑制することができる、超電導ケーブル用断熱材の設置方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明によれば、
内管および外管の二重管構造の断熱管を有する超電導ケーブルに、超電導ケーブル用の断熱材を設置する超電導ケーブル用断熱材の設置方法であって、
樹脂製の不織布シートと、前記不織布シート上に設けられ、樹脂に金属膜を蒸着した金属蒸着シートとを有する断熱シート材を準備する工程と、
複数枚の前記断熱シート材を重ねた積層体に、加熱したピンを貫通させ、前記断熱シート材同士を溶着する工程と、
溶着後の前記断熱シート材の積層体を、前記内管の外周に巻回して前記内管と前記外管との間に設置する工程と、
を備える超電導ケーブル用断熱材の設置方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、超電導ケーブルにおいてＳＩの巻きずれに起因する熱侵入を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】超電導ケーブルの概略断面図である。
【図２】超電導ケーブルの側面図である。
【図３】断熱シートユニットの要部構成を模式的に示す断面図である。
【図４】断熱シート材の構造を模式的に示す側断面図である。
【図５】超電導ケーブル用断熱材の設置方法を模式的に示す図である。
【図６】超電導ケーブル用断熱材の設置方法を模式的に示す図である。
【図７】超電導ケーブル用断熱材の設置方法を模式的に示す図である。
【図８】超電導ケーブル用断熱材の設置方法を模式的に示す図である。
【図９】超電導ケーブル用断熱材の設置方法を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
＜超電導ケーブル１００の全体構成＞
図１は超電導ケーブルの概略断面図であり、図２は超電導ケーブルの側面図である。
超電導ケーブル１００は、例えば、中心から順に、超電導線材により構成される超電導導体層１１３を有するケーブルコア１１０、断熱内管１３０、断熱層を構成する断熱シートユニット１５０、断熱外管１４０、図示しない保護層等を有する。
【００１４】
ケーブルコア１１０は、例えば、図２に示すように、ケーブルコア１１０の中心から順に、フォーマ１１１、押えテープによる電気絶縁層１１２、超電導線材による超電導導体層１１３Ｕ、押えテープによる電気絶縁体層１１４、超電導線材による超電導導体層１１３Ｖ、押えテープによる電気絶縁体層１１４、および超電導線材による超電導導体層１１３Ｗを有する。なお、超電導ケーブルは、３層の超電導導体層を有する三相同軸超電導ケーブルとしたがこれに限らず、１層、２層または４層以上の超電導導体層を有する超電導ケーブルとしてもよい。
【００１５】
フォーマ１１１は、円筒形状或いは、円柱形状であり、本実施の形態では筒状をなしている。フォーマ１１１は、可撓性を有し、本実施の形態では、ステンレス（ＳＵＳ）製のコルゲート管である。フォーマ１１１は内部に、液体窒素等を通過させることが可能であり、ここでは、液体窒素等を通過させて超電導導体層１１３を内側から冷却する冷媒管として機能する。
【００１６】
電気絶縁層１１２は、不織布等の押えテープを巻回することにより形成される。電気絶縁層１１２の外周には、超電導導体層１１３（１１３Ｕ、１１３Ｖ、１１３Ｗ）と、電気絶縁体層１１４とが交互に積層して配置されている。
【００１７】
超電導導体層１１３は、それぞれテープ状の超電導線材を、周方向で各テープ間に若干の所定間隔を空けて、それぞれスパイラル状に巻回することで形成されている。なお、超電導線材の材料としては、従来提案されている種々の超電導材料を用いることができる。ここでは、超電導線材は、基板上に中間層を介して、ＲＥＢａｙＣｕ３Ｏｚ系（ＲＥは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、ＧｄおよびＨｏから選択された１種以上の元素を示し、ｙ≦２およびｚ＝６．２〜７である。）の高温超電導薄膜が形成されている。
【００１８】
電気絶縁体層１１４は、超電導導体層１１３同士を絶縁する。電気絶縁体層１１４は、不織布からなる１本の押えテープを、間隔を空けずにスパイラル状に巻回されることにより層状に構成されている。
【００１９】
超電導導体層１１３Ｗの外側には、電気絶縁体層１１４を介して接地層１１５が設けられている。
接地層１１５は、例えば、銅テープ等の導電性を有するテープを巻回して形成されてもよいし、銅パイプ、或いは、筒状に巻き付けた編組線銅線等により形成されてもよい。
【００２０】
＜断熱内管１３０＞
断熱内管１３０は、ケーブルコア１１０の外周に配置され、ケーブルコア１１０を収容する。断熱内管１３０は、断熱外管１４０とともに二重管である断熱管１２０を構成する。
【００２１】
断熱内管１３０は、ステンレスやアルミニウム等の導電性を有する筒状体である。断熱内管１３０は、波形状の外周面を有するコルゲート管或いはベローズ管であり、本実施の形態では、コルゲート管である。
【００２２】
断熱内管１３０は、運転時には冷媒（例えば、液体窒素Ｎ２（ｌ））が充填される。これにより、超電導導体層１１３は、超電導状態に維持される。
【００２３】
断熱内管１３０の外周には、断熱シートユニット１５０が設置されている。断熱シートユニット１５０についての詳細は後述する。
【００２４】
＜断熱外管１４０＞
断熱外管１４０は、断熱内管１３０を囲むように断熱内管１３０の外周に配置される。断熱外管１４０は、断熱内管１３０と同様に、ステンレスやアルミニウム等の導電性を有する筒状体である。断熱外管１４０は、本実施の形態では、断熱内管１３０とは径の異なるコルゲート管である。
【００２５】
断熱外管１４０と断熱内管１３０との間は、断熱のために、運転時に真空状態に保持される。本実施の形態では、断熱内管１３０と断熱外管１４０の間を真空引きすることにより、断熱内管１３０と断熱外管１４０の間には真空層１２２が設けられている。これにより、断熱内管１３０の内側、つまり、ケーブルコア１１０側への熱侵入を防止する。
【００２６】
＜断熱シートユニット１５０の構成＞
断熱シートユニット１５０は、シート状であり、真空層１２２内で、断熱内管１３０の外周上に、断熱内管１３０を覆うように巻き付けられ設置されている。
断熱シートユニット１５０は、ＳＩと呼ばれる断熱シート材１６０（図４参照）を積層して構成されている。
【００２７】
図３は、断熱シートユニット１５０の要部構成を模式的に示す断面図である。
断熱シートユニット１５０は、複数枚の断熱シート材１６０−１〜１６０−４が積層されることで構成される。
【００２８】
断熱シートユニット１５０は、長手方向に延在する幅方向の中心を通る中心線上に、所定間隔を空けて厚さ方向に貫通する貫通孔１５２を有する。この貫通孔１５２の周囲には、筒状の溶着部１５４が形成され、溶着部１５４は、複数の断熱シート材１６０−１〜１６０−４同士をそれぞれ接合する。
【００２９】
図４は、断熱シートユニット１５０を構成する断熱シート材１６０の構造を模式的に示す側断面図である。
断熱シート材１６０（１６０−１〜１６０−４）は、不織布シート１６１と、不織布シート１６１上に配置された金属蒸着シート１６２とを有する。
【００３０】
不織布シート１６１は、樹脂繊維を含む樹脂層を有する。不織布シート１６１は、樹脂繊維を多重に重ね合わせた構造を有してもよい。
樹脂繊維は、熱可塑性樹脂で形成されている。熱可塑性樹脂として、例えば、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリアミド等を用いることができる。融点、吸水性、伸縮性、断裂強度、重量、またはコスト等の観点から、ポリエステル系樹脂を用いることが望ましい。不織布シート１６１は、熱伝導を抑制する。
【００３１】
不織布シート１６１は、本実施の形態では、ポリエステルメッシュが用いられ、金属蒸着シート１６２に一体的に設けられることで金属蒸着シート１６２とともに断熱シート材１６０を構成している。
【００３２】
金属蒸着シート１６２は、樹脂層１６２１に金属膜１６２２を蒸着することにより形成されている。
金属蒸着シート１６２は、本実施の形態では、樹脂層１６２１としてのポリエチレンテフタレート（Polyethylene terephthalate：ＰＥＴ）フィルムの表裏面のうちの一方の面に、金属膜１６２２となるアルミニウムを蒸着することにより形成されている。
【００３３】
＜超電導ケーブル用断熱材の設置方法＞
超電導ケーブル用断熱材としての断熱シートユニット１５０を設置する場合、まず、図５に示すように、複数枚の断熱シート材１６０−１〜１６０−４を準備しこれらを積層して重ねる。
【００３４】
次いで、図６に示すように、断熱シート材１６０−１〜１６０−４を貫通可能に構成された金属製のピン２０を準備しこれを加熱する。ここでは、ピン２０を、断熱シート材１６０の樹脂、すなわち不織布シート１６１の樹脂および金属蒸着シート１６２の樹脂層１６２１（樹脂）の両方の樹脂の融点以上の温度で加熱する。
【００３５】
次いで、図７に示すように、加熱したピン２０を、断熱シート材１６０−１〜１６０−４の積層体に対してその積層方向に挿入し（図７Ａ参照）、断熱シート材１６０−１〜１６０−４の積層体を貫通させる（図７Ｂ参照）。
本実施の形態では、ピン２０を、当該積層体に対して、幅方向の中心を通りかつ長手方向に延在する中心線上に、等間隔を空けて挿入して貫通させる。
【００３６】
図７Ａに示すように、加熱したピン２０を、断熱シート材１６０−１〜１６０−４に挿入した際に、ピン２０は、不織布シート１６１の樹脂と金属蒸着シート１６２の樹脂層１６２１とを溶融させながら下方に移動する。ピン２０の移動に伴い、当該樹脂はその下層の不織布シート１６１の樹脂や金属蒸着シート１６２の樹脂層１６２１と溶着して溶着部１５４が形成され、断熱シート材１６０同士が接合される。
【００３７】
図７Ｂに示すように、ピン２０が断熱シート材１６０−１〜１６０−４の積層体を貫通することにより、各断熱シート材１６０の樹脂部分が溶融し、各断熱シート材１６０はその下層の断熱シート材１６０に、ピン２０の周囲で、順次接合される。
【００３８】
次いで、図８に示すように、断熱シート材１６０−１〜１６０−４の積層体に挿通されたピン２０を引き抜くことにより、当該積層体は、ピン２０により形成された貫通孔１５２と、この貫通孔１５２の周囲に形成された筒状の溶着部１５４とを有するものとなる。
その結果、図９に示すように、断熱シート材１６０−１〜１６０−４同士は、溶着部１５４により積層方向に接合された状態となる。
【００３９】
なお、ピン２０の断面形状は、円形、楕円形、角形等どのような形状でもよく、これに対応して、貫通孔１５２の形状、ひいては溶着部１５４の形状が設定される。溶着部１５４の形状は、ピン２０の外形に対応する内径形状に対応して外形形状として設定される。
【００４０】
このように構成される断熱シートユニット１５０は、断熱シート材１６０−１〜１６０−４が溶着部１５４によりそれぞれ接合されているので、互いにずれることがない。本実施の形態では、長手方向に所定間隔を空けて溶着部１５４が設けられているので、各断熱シート材１６０のずれを抑制することができる。
【００４１】
次いで、断熱シートユニット１５０を断熱内管１３０の外周上に巻回する。
ここでは、断熱シートユニット１５０を、断熱内管１３０の軸方向で一部が重なるように（本実施の形態では、断熱シートユニット１５０同士を、その幅の１／２ずつラップさせて）巻回する。
【００４２】
なお、断熱シートユニット１５０そのものを複数積層し、これを断熱内管１３０の外周に断熱層（例えば４層×４層）として形成するように巻回してもよい。
断熱シートユニット１５０そのものを積層する際には、断熱シートユニット１５０同士が完全に重ならないように配置することが望ましい。例えば、断熱シートユニット１５０をそれぞれ断熱内管１３０の軸方向においてずれた位置から巻回し、巻回開始の端部が重ならないように配置したり、断熱シートユニット１５０同士で、右巻きと左巻き等巻回方向を変えて巻回したりして、設置することが望ましい。
【００４３】
＜まとめ＞
以上の本実施形態によれば、加熱したピン２０を、断熱シート材１６０−１〜１６０−４の積層体に挿入して溶着部１５４を形成し当該積層体を接合するため、溶着部１５４により、断熱シート材１６０−１〜１６０−４同士の巻きずれが抑制され、ＳＩの巻きずれに起因する熱侵入を抑制することができる。
【実施例】
【００４４】
＜実施例１＞
厚さ１００μｍのポリエステルメッシュの不織布シート１６１と、ＰＥＴフィルムにＡｌを蒸着した厚さ１２μｍの金属蒸着シート１６２とを組み合わせた断熱シート材１６０を準備し、これを４層積層した。その後、金属製のピンを、不織布シート１６１のポリエステルの融点以上でかつ金属蒸着シート１６２のＰＥＴの融点以上の温度で加熱する。その後、加熱した当該ピンを、断熱シート材１６０−１〜１６０−４の積層体に対し、その長手方向に沿って１００ｍｍ程度の間隔で挿入し貫通させ、断熱シート材１６０−１〜１６０−４に溶着部１５４を形成しながらこれらを接合し、断熱シートユニット１５０を製造した。
これとは別に、断熱内管１３０として外径７０ｍのアルミコルゲート管を、断熱外管１４０として外径１３０ｍｍのアルミコルゲート管をそれぞれ準備した。
その後、断熱内管１３０内にケーブルコア１１０を収容し、断熱内管１３０の外周に、断熱シートユニット１５０を１／２ラップ巻きで巻回して設置し、断熱外管１４０内にこれらを収容し、図１に示す超電導ケーブル１００を製造した。ここでは、断熱シート材１６０−１〜１６０−４に巻きずれが発生することはなく、断熱シート材１６０−１〜１６０−４を巻き付けシワなく断熱内管１３０に巻回できた。
【００４５】
この超電導ケーブル１００で長さ５ｍの横置き線路を敷設して、断熱内管１３０と断熱外管１４０との間を真空度８×１０−４Ｐａとなるように真空引きするとともに、断熱内管１３０内に液体窒素を充填し、液面計で液体窒素液面をモニタリングしつつ、マスフローメーターで蒸発した気体窒素の流量を計測し、単位時間で超電導ケーブル１００に侵入した熱侵入量を計算した。
当該熱侵入量は「１．２Ｗ／ｍ」であった。
【００４６】
＜比較例１＞
実施例１と同様の断熱シート材１６０を４層積層し、その積層体を、実施例１の断熱シートユニット１５０における溶着部１５４と同じ位置で化繊糸を積層方向に通して縫い付けることで一体化して断熱シートユニットを製造した。
それ以外は実施例１と同様にして超電導ケーブル１００を製造し熱侵入量を計算した。
当該熱侵入量は「１．７Ｗ／ｍ」であった。
【００４７】
この結果、実施例１は、比較例１と比較して、超電導ケーブルとしての熱侵入量を低くできた。これは、実施例１では、断熱シートユニット１５０において、断熱シート材１６０−１〜１６０−４を溶着部１５４で接合する場合に形成された貫通孔１５２が、断熱内管１３０と断熱外管１４０との間が真空引きされたときに、閉塞されたと推測される。これにより断熱シートユニット１５０では、実質的に、各断熱シート材１６０−１〜１６０−４は、貫通孔１５２が無い状態で互いに接合された構成となり、熱侵入が抑制されたと思われる。
【００４８】
一方、比較例１の断熱シートユニットは、各断熱シート材１６０−１〜１６０−４は、その積層方向において化繊糸で接合されているので、断熱シートユニットの外周側から侵入した熱がその化繊糸を通じて内周側に侵入していると思われる。
【００４９】
本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５０】
２０  ピン
１００  超電導ケーブル
１１０  ケーブルコア
１１１  フォーマ
１１２  電気絶縁層
１１３（１１３Ｕ、１１３Ｖ、１１３Ｗ）  超電導導体層
１１４  電気絶縁体層
１１５  接地層
１２０  断熱管
１２２  真空層
１３０  断熱内管
１４０  断熱外管
１５０  断熱シートユニット
１５２  貫通孔
１５４  溶着部
１６０  断熱シート材
１６１  不織布シート
１６２  金属蒸着シート
１６２１  樹脂層
１６２２  金属膜
【図１】
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【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】
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