(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室温空間に置かれた電源より極低温に冷却された超電導装置へ電流を供給する超電導送電ケーブルにおいて、
超電導導線、あるいは超電導導線と低抵抗金属導線からなる複数の導体素線を金属管内に収納してなり、一端に電源に接続される常温端子を配し、他端がジョイントを介して超電導装置へ接続されてなる超電導ブスバーと、
超電導ブスバーを取り囲んで配された良熱伝導性金属からなる熱シールドと、
超電導ブスバーと熱シールドを収納し、真空に保持される室温容器と
を備え、前記金属管のジョイントの近傍に備えられた冷媒供給口より冷媒を導入し、金属管内を通流させて、前記常温端子に備えられた冷媒排出口より排出して、金属管内に収納した前記の複数の導体素線を冷却して用いることを特徴とする超電導送電ケーブル。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導送電ケーブルにおいて、前記熱シールドが、超電導ブスバーの金属管に連通して冷媒を通流するシールド冷却管を備えてなることを特徴とする超電導送電ケーブル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超電導送電ケーブルにおいて、前記の超電導ブスバーの金属管内に配された複数の導体素線が、常温端子に隣接する部分を直線構造とし、他の部分を撚線構造として形成されていることを特徴とする超電導送電ケーブル。
【請求項４】
室温空間に置かれた電源より極低温に冷却された超電導装置へ電流を供給する超電導送電ケーブルで、
超電導導線、あるいは超電導導線と低抵抗金属導線からなる複数の導体素線を金属管内に収納してなり、一端がジョイントを介して超電導装置へ接続されてなる超電導ブスバーと、
リード導体の極低温側の一端がケーブルジョイントを介して超電導ブスバーの他端に接続され、リード導体の他の一端に電源に接続される常温端子を備え、極低温側が冷媒容器に貯液された冷媒に浸漬されてなる電流リードと、
超電導ブスバー、ケーブルジョイント、電流リードおよび冷媒容器を取り囲んで配された良熱伝導性金属からなる熱シールドと、
超電導ブスバー、ケーブルジョイント、電流リード、冷媒容器および熱シールドを収納し、真空に保持される室温容器と
を備え、前記金属管のジョイントの近傍に備えられた冷媒供給口より冷媒を導入し、金属管内を通流させて前記の複数の導体素線を冷却し、金属管と前記冷媒容器との間に備えられたジュールトムソン弁（ＪＴ弁）を有する接続配管を通して冷媒容器へと冷媒を送り、冷媒容器に貯液された冷媒が蒸発して生じた低温ガスにより電流リードのリード導体を冷却して用いることを特徴とする超電導送電ケーブル。
【請求項５】
請求項４に記載の超電導送電ケーブルにおいて、前記熱シールドが、超電導ブスバーの金属管に連通して冷媒を通流するシールド冷却管を備えてなることを特徴とする超電導送電ケーブル。
【請求項６】
請求項４または５に記載の超電導送電ケーブルにおいて、前記の超電導ブスバーの金属管内に配された複数の導体素線が撚線構造として形成されていることを特徴とする超電導送電ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、室温空間に置かれた電源より極低温に冷却された超電導コイル等の超電導装置へ電流を供給する超電導送電ケーブル、特に大電流を通電して用いられる超電導装置用の超電導送電ケーブルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
核融合装置、ＭＨＤ発電装置、あるいは加速器等に用いられる大型の超電導マグネットは、大型の導体を用いて構成され、大電流を通電して使用される。通常の超電導マグネットにおいては、極低温に冷却された超電導マグネットへの電流の供給は、電流リードを超電導マグネットの近傍に設置して、電流リードの室温部に配した常温端子に電源からの銅製ブスバーを接続し、電流リードの低温端に超電導マグネットへ連結される接続バー、例えば超電導線を銅製バーに埋め込んでなる接続バーを接続して行われるのが通例である。しかしながら、例えば数十ｋＡの大電流を流す上記のごとき大型の超電導マグネットでは、発生磁界の及ぶ範囲が広いので、電源を磁界の影響を受けないように超電導マグネットより例えば数十ｍ離れた位置に配置することが必要となる。
【０００３】
このとき、電流リードを超電導マグネットの近傍に設置し、電源と電流リードとの間を長大な銅製ブスバーにより連結する方法を採ることとすれば、▲１▼電流リードおよび銅製ブスバーを流れる電流により生じる磁界が大きく、超電導マグネットの所定発生磁界を損なう恐れがあり、また、▲２▼室温にある銅製ブスバーの許容電流密度は 0.5〜2.0 A/mm2 と小さいので、ブスバーが大型となり装置が大型化して広い設置空間が必要となる。さらに、▲３▼特に核融合装置では、他の設置機器との干渉により超電導マグネットの近傍に電流リードを配設することが不可能である。したがって、この連結方法に替わるものとして、電流リードを電源の近傍に設置し、電流リードの低温端と超電導マグネットとの間を超電導導体を用いた長大な超電導ブスバーにより連結して、電流リードと超電導ブスバーよりなる超電導送電ケーブルにより超電導マグネットに電流を供給する方法が採られている。
【０００４】
図７は、従来のこの種の超電導送電ケーブルの構成例を示す断面図である。
冷媒貯液容器６には、それぞれ電流リード１を組み込んだ一組の液体ヘリウム容器９と、液体ヘリウム２を貯液するリザーバタンク３が収納されており、これらを囲んで配された熱シールド５と真空７とにより断熱して保持されている。一組の液体ヘリウム容器９とリザーバタンク３は下端近傍において連通しており、リザーバタンク３に貯液された液体ヘリウム２が液体ヘリウム容器９へと供給されるよう構成されている。電流リード１は、銅または銅合金などの良電気伝導体からなる導体を内蔵しており、液体ヘリウム容器９に貯液された液体ヘリウム２が蒸発して生じた低温のヘリウムガスを下端より導入し、内部を通流させて導体を冷却し、上端に設置された常温端子の冷媒排出口より排出するよう構成されている。液体ヘリウム２により冷却された電流リード１の低温端は、ケーブルジョイント４によりブスバー容器１２に収納された、超電導体を安定化金属に埋設して一体化された超電導ブスバー１０へと接続されており、超電導ブスバー１０の他端は、コイル容器２２に収納された超電導コイル２０にジョイント２１を介して接続されている。超電導ブスバー１０は、接続端を除く大半がヘリウム配管１１の内部に配されており、その外周に配された熱シールド５と、両端を冷媒貯液容器６とコイル容器２２に接続したブスバー容器１２により形成される真空７により断熱して保持されている。また、超電導ブスバー１０を収納するヘリウム配管１１は、電流リード側端部にリザーバタンク３へと接続された連通管１３を、また超電導コイル側端部に冷凍機へと排出するヘリウム排出口１４を備えてなり、リザーバタンク３の液体ヘリウム２を導入し通流することにより超電導ブスバー１０を冷却する構成となっている。
【０００５】
すなわち、本構成の超電導送電ケーブルでは、リザーバタンク３に貯液された液体ヘリウム２を分流して電流リード１と超電導ブスバー１０とを冷却する方式を採ることにより、電流リードと超電導ブスバーよりなる超電導送電ケーブルによって超電導マグネットへ電流を供給している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超電導送電ケーブルでは、上記のごとく構成することによって、所要スペースが小さく、超電導マグネットの発生磁界を阻害することのない電流供給手段を実現している。
しかしながら、本構成の超電導送電ケーブルでは、リザーバタンク３に貯液された液体ヘリウム２を分流して、電流リード１と超電導ブスバー１０を冷却する方式を採っており、電流リード１においては液体ヘリウム容器９に貯液された液体ヘリウム２が蒸発して生じた低温のヘリウムガスにより冷却するのに対して、超電導ブスバー１０では加圧して供給される液体ヘリウム２で冷却されることとなる。すなわち、本構成では、冷媒の相状態が異なる二つの被冷却体にリザーバタンク３に貯液された液体ヘリウム２を並列に供給しているので、冷却条件が他方の冷却条件の変化により変動し、一方の被冷却体の冷却条件を向上させれば、他方の被冷却体の冷却条件に影響を及ぼし、冷却性能が低下する事態が生ずるので、それぞれの被冷却体をバランスよく安定に冷却することが極めて困難であるという難点がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を解消し、所要スペースが小さく、超電導マグネットの発生磁界を阻害する恐れがないばかりでなく、バランスよく安定して冷却運転される超電導送電ケーブルを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
（１）室温空間に置かれた電源より極低温に冷却された超電導装置へ電流を供給する超電導送電ケーブルを、超電導導線、あるいは超電導導線と低抵抗金属導線からなる複数の導体素線を金属管内に収納してなり、一端に電源に接続される常温端子を配し、他端がジョイントを介して超電導装置へ接続されてなる超電導ブスバーと、超電導ブスバーを取り囲んで配された良熱伝導性金属からなる熱シールドと、超電導ブスバーと熱シールドを収納し真空に保持される室温容器とを備えて構成し、
上記の金属管のジョイントの近傍に備えられた冷媒供給口より冷媒を導入し、金属管内を通流させて、上記の常温端子に備えられた冷媒排出口より排出して、金属管内に収納した前記の複数の導体素線を冷却して用いることとする。
【０００９】
このようにすれば、超電導送電ケーブルの導体素線を冷却する冷媒は、冷媒供給口より冷媒排出口へと一元的に通流することとなるので、安定した冷却運転ができることとなる。また、本構成では、従来のケーブルジョイントのごとき接続部分が存在しないので、接続によるジュール発熱がなく、熱損失が低く抑えられることとなる。
【００１０】
（２）さらに、（１）の超電導送電ケーブルの熱シールドに、超電導ブスバーの金属管に連通して冷媒を通流するシールド冷却管を備えることとする。
このようにすれば、熱シールドの冷却が効果的に行われ、熱損失が一層低く抑えられることとなる。
（３）さらに、（１）または（２）の超電導送電ケーブルの金属管内に配された複数の導体素線を、常温端子に隣接する部分を直線構造とし、他の部分を撚線構造として形成することとする。
【００１１】
このようにすれば、室温から極低温へと温度変化する電流リードに対応する常温端子に隣接した部分において、複数の導体素線を金属管内に密に配設することができ、冷媒による冷却が効果的にできるので、常温端子側からの熱侵入量を抑制することができる。また、極低温部分を撚線構造として形成すれば超電導導線の交流磁界による損失が低減できるので熱損失が抑えられ、かつ複数の導体素線間での通流電流の偏りを抑えられるので、安定した通電が可能となる。
【００１２】
（４）また、室温空間に置かれた電源より極低温に冷却された超電導装置へ電流を供給する超電導送電ケーブルを、超電導導線、あるいは超電導導線と低抵抗金属導線からなる複数の導体素線を金属管内に収納してなり、一端がジョイントを介して超電導装置へ接続されてなる超電導ブスバーと、リード導体の極低温側の一端がケーブルジョイントを介して超電導ブスバーの他端に接続され、リード導体の他の一端に電源に接続される常温端子を備え、極低温側が冷媒容器に貯液された冷媒に浸漬されてなる電流リードと、超電導ブスバー、ケーブルジョイント、電流リードおよび冷媒容器を取り囲んで配された良熱伝導性金属からなる熱シールドと、超電導ブスバー、ケーブルジョイント、電流リード、冷媒容器および熱シールドを収納し、真空に保持される室温容器とを備えて構成し、
上記の金属管のジョイントの近傍に備えられた冷媒供給口より冷媒を導入し、金属管内を通流させて上記の複数の導体素線を冷却し、金属管と上記の冷媒容器との間に備えられたジュールトムソン弁（ＪＴ弁）を有する接続配管を通して冷媒容器へと冷媒を送り、冷媒容器に貯液された冷媒が蒸発して生じた低温ガスにより電流リードのリード導体を冷却して用いることとする。
【００１３】
このようにすれば、超電導送電ケーブルを構成する超電導ブスバーの導体素線と電流リードを冷却する冷媒は、冷媒供給口より導入され、金属管内を通流し、接続配管を通して冷媒容器へ送られ、蒸発して生じた低温ガスは電流リードの常温端より排出される。すなわち、本構成では、冷媒が一元的に通流することとなるので、安定した冷却運転ができることとなる。
【００１４】
（５）さらに、上記（４）の超電導送電ケーブルの熱シールドに、超電導ブスバーの金属管に連通して冷媒を通流するシールド冷却管を備えることとする。
このようにすれば、熱シールドの冷却が効果的に行われ、熱損失が一層低く抑えられることとなる。
（６）さらに、上記（４）、または（５）の超電導送電ケーブルの超電導ブスバーの金属管内に配された複数の導体素線を撚線構造として形成することとする。
【００１５】
このようにすれば、極低温にある超電導導線の交流磁界による損失が低減できるので熱損失が抑えられ、かつ複数の導体素線間での通流電流量の偏りが抑えられるので、安定した通電が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による超電導送電ケーブルの第１の実施例の基本構成を模式的に示す断面図である。また図２は、本実施例の超電導ブスバーの構成を示す横断面図である。
図１に見られるように、本実施例の超電導送電ケーブルは、多数の超電導細線を低抵抗金属の銅中に埋設して形成した超電導導線からなる導体素線を金属管中に収納してなる一組の超電導ブスバー５１と、これを取り囲んで配された熱シールド５２を、ブスバー容器５３の内部に収納し、真空５５に保持して構成されている。超電導ブスバー５１の一端は、コイル容器２２に収納された超電導コイル２０の接続リードにジョイント２１を介して接続されており、他端には、室温空間に配された電源へと接続される常温端子５４が付設されている。また、超電導ブスバー５１のジョイント２１の側の端部近傍には冷媒供給口５６が、また常温端子５４には超電導ブスバー５１の金属管に連結する冷媒排出口５７が設置されている。
【００１７】
また、図２に見られるように、超電導導線からなる多数の導体素線７１を金属管７３に収納し、外周に絶縁７４を施して超電導ブスバー５１を構成し、このように構成された一組の超電導ブスバー５１を良熱伝導性金属である銅製の円筒板からなる熱シールド５２で取り囲み、円筒状のブスバー容器５３の内部に収納して超電導送電ケーブルが形成されている。
【００１８】
本構成では、冷媒を冷媒供給口５６より供給し、金属管中を通流させ、冷媒排出口５７より排出することにより、金属管中に収納した超電導導線からなる導体素線７１を冷却して極低温に保持して通電されるので、冷媒は一元的に流れ、安定した冷却運転ができる。また、極低温に冷却した超電導導線を用いることによって小型に構成されるばかりでなく、本構成では従来例で示したごとき電流リードの液体ヘリウム容器が不要で、縦置きの配置とする必要がないので設置所要空間が小さくコンパクトに配設することができる。
【００１９】
図３は、本発明による超電導送電ケーブルの第２の実施例の要部の基本構成を模式的に示す断面図である。
本図の構成の第１の実施例の構成との基本的な差異は、熱シールド５２に、超電導ブスバー５１の金属管７３にシールド接続管５８を介して接続する熱シールド冷却管５２ａが備えられていることにある。シールド接続管５８は超電導ブスバー５１の電流リードに対応する部分の極低温端に設置されており、冷媒供給口５６より供給され、超電導ブスバー５１ｂを通流した冷媒は、大半は超電導ブスバー５１ａへと流れ、一部はシールド接続管５８を通して熱シールド冷却管５２ａへと流れ、熱シールド５２を冷却したのちシールド冷却ガス出口５９より排出される。したがって、本構成では熱シールド５２が効果的に冷却されるので、熱侵入量を低く抑えることができる。
【００２０】
なお、上記の第１、第２の実施例では、超電導ブスバー５１の金属管７３に束状に収納する導体素線７１を超電導導線より形成しているが、超電導導線に例えば銅よりなる低抵抗金属導線を組み込んで形成したものとしても、ほぼ同等の効果が得られる。
図４は、本発明による超電導送電ケーブルの第３の実施例の要部の基本構成を模式的に示す断面図で、第１の実施例あるいは第２の実施例の構成の超電導送電ケーブルの超電導ブスバーの金属管の内部に配される導体素線に適用される構成を示す断面図である。
【００２１】
本実施例の導体構成の特徴は、超電導ブスバーの電流リードに対応する部分（領域Ａ）に配置された導体素線７１が直線構造に、他の部分、すなわち極低温部分（領域Ｂ）が撚線構造として形成されていることにある。特に、領域Ａにおけるボイド率（金属管７３の内部の全断面積に占める冷媒通流断面積の割合）を約２０％として構成しているので、冷媒の偏流を生じることなく構成する各導体素線７１が効果的に冷却され、常温端子側からの熱侵入が抑制される。また、領域Ｂにおけるボイド率を約３５％として導体素線７１を配しているので、超電導導体の交流損失を抑え、各導体素線７１間の電流偏流を抑える撚線構造が採れ、かつ有効な冷却が保持されている。なお、導体素線７１を直線構造に配した領域Ａにおけるボイド率を約３０％以上とすれば、冷媒の偏流が生じて有効に冷却されない導体素線７１が存在することとなり、常温端子側からの熱侵入が増大することとなる。また、導体素線７１を撚線構造に配した領域Ａにおいて、ボイド率を３０％以下とすれば有効な撚線が不可能であり、またボイド率を４０％以上とすれば冷媒の偏流が生じて有効な冷却が得られなくなる。
【００２２】
図５は、本発明による超電導送電ケーブルの第４の実施例の要部の基本構成を模式的に示す断面図である。
図に見られるように、本構成の超電導送電ケーブルは、電流リード容器６Ａに収納された一組の電流リード１と、ブスバー容器５３に収納された一組の超電導ブスバー５１からなる。超電導ブスバー５１は、図７に示した従来例の超電導体を安定化金属に埋設してなる超電導ブスバー１０と異なり、金属管に多数の超電導導線よりなる導体素線を撚線構造にして収納し形成したものである。また、電流リード容器６Ａには、図７に示した従来例のごときリザーバタンクは設置されておらず、電流リード１を組み込んだ一組の液体ヘリウム容器９Ａには、超電導ブスバー５１を冷却した冷媒が供給されるよう構成されている。すなわち、超電導ブスバー５１の超電導コイル側の端部近傍に設けられた冷媒供給口５８より導入され、超電導ブスバー５１の金属管の内部を通流して多数の導体素線を冷却した超臨界圧状態のヘリウムを、ケーブルジョイント４の近傍より連結管８１を通して液体ヘリウム容器９Ａへと送り、連結管８１に設置したＪＴ弁８２によって液体ヘリウムに相変化させて、液体ヘリウム容器９Ａに貯液する構成である。
【００２３】
したがって、本構成では、冷媒供給口５８より導入した冷媒により、超電導ブスバー５１の導体素線と電流リード１とを順次冷却し、電流リード１の常温端より排出することとなるので、従来例に比較して冷却系統が簡素化され、安定したバランスよい冷却運転ができることとなる。
図６は、本発明による超電導送電ケーブルの第５の実施例の要部の基本構成を模式的に示す断面図である。本構成は、第４の実施例の構成の超電導送電ケーブルに、超電導ブスバー５１のケーブルジョイント４の近傍より熱シールド５２に付設された図示しない熱シールド冷却管へと連通するシールド接続管８３を備えたものであり、超電導ブスバー５１の金属管の内部を通流した冷媒の一部を熱シールド冷却管へ分流して、熱シールド５２を効果的に冷却する構成である。したがって、本構成においては、電流リード容器６Ａとブスバー容器５３とが効果的に断熱され、熱侵入量がより一層低く抑えられることとなる。
【００２４】
【発明の効果】
上述のごとく、本発明によれば、
（１）室温空間に置かれた電源より極低温に冷却された超電導装置へ電流を供給する超電導送電ケーブルを、請求項１に記載のごとくに構成することとしたので、所要スペースが小さく、超電導マグネットの発生磁界を阻害する恐れがないばかりでなく、導体素線を冷却する冷媒が冷媒供給口より冷媒排出口へと一元的に通流するので、バランスよく安定して冷却運転される超電導送電ケーブルが得られることとなった。
【００２５】
（２）さらに、請求項２に記載のごとくにすれば、熱シールドが効果的に冷却されて熱損失が一層低く抑えられることとなり、また請求項３に記載のごとくにすれば、常温端子側からの熱侵入量が低減し、かつ極低温部分の超電導導線の交流磁界による損失が低減し、複数の導体素線間での通流電流量の偏りが抑制されるので、バランスよく安定して冷却運転される超電導送電ケーブルとして、より好適である。
【００２６】
（３）また、室温空間に置かれた電源より極低温に冷却された超電導装置へ電流を供給する超電導送電ケーブルを、請求項４に記載のごとくに構成することとすれば、超電導ブスバーの導体素線と電流リードとを導電接続して構成されるものにおいても、これらの導体を冷却する冷媒が一元的に通流することとなるので、バランスよく安定して冷却運転される超電導送電ケーブルが得られることとなる。
【００２７】
（４）さらに、請求項５に記載のごとくにすれば、熱シールドが効果的に冷却されて熱損失が一層低く抑えられることとなり、また請求項６に記載のごとくにすれば、超電導ブスバー部分の超電導導線の交流磁界による損失が低減し、複数の導体素線間での通流電流量の偏りが抑制されるので、バランスよく安定して冷却運転される超電導送電ケーブルとして、より好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超電導送電ケーブルの第１の実施例の基本構成を模式的に示す断面図
【図２】図１に示した第１の実施例の超電導ブスバーの構成を示す横断面図
【図３】本発明による超電導送電ケーブルの第２の実施例の要部の基本構成を模式的に示す断面図
【図４】本発明による超電導送電ケーブルの第３の実施例の要部の基本構成を模式的に示す断面図
【図５】本発明による超電導送電ケーブルの第４の実施例の要部の基本構成を模式的に示す断面図
【図６】本発明による超電導送電ケーブルの第５の実施例の要部の基本構成を模式的に示す断面図
【図７】従来のこの種の超電導送電ケーブルの構成例を示す断面図
【符号の説明】
１    電流リード
２    液体ヘリウム
４    ケーブルジョイント
６Ａ    電流リード容器
９Ａ    液体ヘリウム容器
２０    超電導コイル
２１    ジョイント
２２    コイル容器
５１    超電導ブスバー
５２    熱シールド
５２ａ    熱シールド冷却管
５３    ブスバー容器
５４    常温端子
５５    真空
５６    冷媒供給口
５７    冷媒排出口
５８    シールド接続管
５９    シールド冷却ガス出口
７１    導体素線
７２    冷媒
７３    金属管
７４    絶縁
８１    連結管
８２    ＪＴ弁
８３    シールド接続管
【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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