(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導導体と、前記超電導導体を冷却する冷媒を流す冷媒往路及び冷媒復路を含む二以上の冷媒通路と、管内部に前記超伝導導体と前記冷媒通路とが形成される断熱管とを有する電気鉄道用の超電導饋電線として１回線だけ敷設して使用される超電導ケーブルにおいて、
前記冷媒通路は、内管と外管との二重管によって、前記内管の内部空間に前記冷媒往路、前記内管と外管の間の空間に前記冷媒復路が形成され、
前記冷媒往路と冷媒復路の間に熱絶縁体が設けられ、
前記熱絶縁体の外周側に前記超電導導体が設けられ、
前記冷媒復路を流れる冷媒によって、前記超電導導体が冷却されるとともに、
前記内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記冷媒の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬとしたとき、
ｈ≦ＣＶ／Ｌ
なる関係を満たす体積流量Ｖの前記冷媒で冷却されることを特徴とする超電導ケーブル。
ｈ：内管の材料の熱伝達係数（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）
Ｃ：単位長当たりの熱容量（Ｊ／ｃｍ・Ｋ）
Ｖ：寒冷であるＬＮ２の流速（ｃｍ／ｓｅｃ）
Ｌ：ケーブルの全長（ｃｍ）
【請求項２】
前記冷媒往路内に第二の超電導導体が設けられていることを特徴とする請求項１記載の超電導ケーブル。
【請求項３】
前記内管が、前記熱絶縁体によって形成され、
前記超電導導体が、前記内管の外表面に捲回されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超電導ケーブル。
【請求項４】
前記内管はポリテトラフルオロエチレン又はナイロンによって形成されていることを特徴とする請求項３記載の超電導ケーブル。
【請求項５】
前記外管はコルゲート配管であることを特徴とする請求項１〜４何れかに記載の超電導ケーブル。
【請求項６】
請求項１〜５何れかに記載の電気鉄道用に超電導饋電線として１回線だけ敷設して使用される超電導ケーブルと、
ポンプによって前記超電導ケーブルの冷媒復路の出口から排出される冷媒を前記超電導ケーブルの冷媒往路の入口に戻すことができる循環回路と、
前記循環回路中の冷媒を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする超電導ケーブルの冷却装置。
【請求項７】
前記ポンプは、
前記内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記冷媒の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬ（ｃｍ）としたとき、
ｈ≦ＣＶ／Ｌ
なる関係を満たす体積流量Ｖで前記冷媒を吐出する能力を有することを特徴とする請求項６記載の超電導ケーブルの冷却装置。
【請求項８】
請求項１〜６何れかに記載の電気鉄道用に超電導饋電線として１回線だけ敷設して使用される超電導ケーブルの冷却方法であって、
前記冷媒往路に連続的に冷媒を供給するとともに、前記冷媒復路から前記冷媒を取り出し、
前記冷媒復路から取り出した冷媒を冷却して再度冷媒往路に供給することで、
前記冷媒を循環利用することを特徴とする超電導ケーブルの冷却方法。
【請求項９】
前記内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記冷媒の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬとしたとき、
ｈ≦ＣＶ／Ｌ
なる関係を満たす体積流量Ｖで、前記冷媒を前記冷媒往路に連続的に供給することを特徴とする請求項８記載の超電導ケーブルの冷却方法。
ｈ：内管の材料の熱伝達係数（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）
Ｃ：単位長当たりの熱容量（Ｊ／ｃｍ・Ｋ）
Ｖ：寒冷であるＬＮ２の流速（ｃｍ／ｓｅｃ）
Ｌ：ケーブルの全長（ｃｍ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道用に超電導饋電線として１回線だけ敷設して使用される超電導ケーブルにおいて、並びに超電導ケーブルの冷却装置及び冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導とは、特定の金属、合金、化合物などの物質を超低温に冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる現象である。超電導の技術を適用して作成された送電に使用する超電導ケーブルは、超電導線を電流が流れる導体として使用するものであって、小さな断面積で大電流を流すことができるため、送電に係る設備の小型化、送電効率の向上等の利点があり注目されている。
【０００３】
超電導ケーブルは、使用による熱負荷や外部からの侵入熱により温度が上昇して超電導能力を失って送電性を損なうことがないように、送電に用いる際には、常に冷却して超低温状態を維持することが重要である。超電導ケーブルを冷却する技術としては、液体窒素等の寒冷を用いて循環冷却を行う技術が知られている。これは、冷凍機を用いて寒冷を冷却し、冷却された冷媒をポンプを用いて超電導ケーブルに送ることで、冷却された寒冷により超電導ケーブルを冷却するものであり、冷媒を冷凍機→超電導ケーブル→ポンプ→冷凍機の順に一筆書きの経路で循環して超電導ケーブルを冷却する技術が例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
超電導ケーブルは、例えば電力会社等により交流用超電導ケーブルとして検討、使用されることがある。電力会社等により検討、使用される交流用超電導ケーブルは、洞道とよばれる地下通路から高層ビルのような大口電力需要者への電力を供給する電力機器として使用される。そのため、交流用超電導ケーブルには、外部から電流を流すための接続部分であるパワーリードを設ける必要があるが、前記交流用電力用超電導送電ケーブルではパワーリードは両端の２箇所に設ければ十分である。また、交流用超電導送電ケーブルでは、電力供給の安定化を図るために超電導送電ケーブルは２回線以上敷設される。
【０００５】
そのため、交流用超電導送電ケーブルにおいては、超電導送電ケーブルの冷却系統は、１回線を寒冷の行き、他回線を寒冷の戻りとすることで寒冷の戻り回路を別途設ける必要がなく、寒冷の低温を有効に使用して循環させることができる。また、仮に交流用超電導送電ケーブルを１回線のみ設ける場合であっても、一般に交流用超電導送電ケーブルは３相交流ケーブルであるので、例えば１相を行き、他の２相を戻りとすることで寒冷の戻り回路を別途設ける必要がなく寒冷の低温を有効に使用して循環させることができる。
【０００６】
一方、超電導ケーブルは、交流用送電ケーブルとしてだけではなく、電気鉄道用に超電導饋電線として使用されることがある。
ところで、現状においては、電気鉄道はパンタグラフ、トロリー線を経由して電力を供給されるが、トロリー線は細い線なので電気抵抗が大きく、概ね３００ｍ毎にトロリー線に饋電線から電力を供給して電気車での電圧降下を防いでいる。従って饋電線には太い線を用い、電気抵抗を非常に低くして電圧降下を防ぐが、どれだけ低い電気抵抗であっても有限な抵抗であるので電圧降下を避けることは不可能である。そのため、饋電線は概ね３ｋｍ毎に設けられている。饋電線は電気鉄道への直接的な電気供給のみならず、電気車の回生電力を他の加速中の電気車に融通するなど、変電所間での電気融通にも利用可能であるが、２つの電力輸送を同時に行うことは不可能であり、通常は電気車への電力輸送が主な役目になっている。また、我が国の多くの電気鉄道は直流通電であり、饋電線を超電導かすると電気抵抗がゼロとなるので、変電所間隔を広げたり、一部の変電所を省略できたり、全ての電流が超電導ケーブルを通して変電所に戻ってくるので、電食問題も解決できるなど様々な利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００９−５１６３５４号公報
【０００８】
饋電線は電気鉄道への直接的な電気供給のみならず、電気車の回生電力を他の加速中の電気車に融通するなど、変電所間での電気融通にも利用可能であるが、２つの電力輸送を同時に行うことは不可能であり、通常は電気車への電力輸送が主な役目になっている。また、我が国の多くの電気鉄道は直流通電であり、饋電線を超電導化すると電気抵抗がゼロとなるので、変電所間隔を広げたり、一部の変電所を省略できたり、全ての電流が超電導ケーブルを通して変電所に戻ってくるので、電食問題も解決できるなど様々な利点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、電気鉄道用に使用される超電導饋電線は、前記交流用超電導送電ケーブルとは異なり、トロリー線に電力を供給するための多数のパワーリードを設ける必要があるため、ケーブルからの電流分岐が容易な構造でなければならず、寒冷の循環系の構成も電力用送電ケーブルとは異なってくる。
【００１０】
また、電気鉄道の超電導饋電線の場合は、１回線だけ敷設すると考えられるため、交流用送電ケーブルのように１回線を行き、他回線を戻りとすることはできない。さらに、超電導饋電線では直流通電を行うため、３相交流ケーブルのように１相を行き、他の２相を戻りとすることもできない。そのため、寒冷の低温を行きのみでしか利用することができず、寒冷の低温を有効に循環利用することができない。
【００１１】
なお、超電導饋電線を２本以上設ける構造とし、寒冷の戻り回線を別途設けることなく寒冷の低温を有効に循環利用することも考えられるが、この場合は超電導饋電線を必要以上の２本以上設けることになるため超電導饋電線を設けること自体に係るコストが高額となることに加え、ケーブル寸法が大きくなり、構造も複雑となるため現実的ではない。
【００１２】
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、超電導饋電線のように直流で且つ１回線のみ敷設される超電導ケーブルについて、寒冷の戻り回線を別途設けることなく、寒冷の低温を有効に循環利用することができる超電導ケーブル、並びに超電導ケーブルの冷却装置及び冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電気鉄道用の超電導饋電線として１回線だけ敷設して使用される超電導ケーブルはコンパクト性が強く求められ、ケーブル外径はピット内に収まり、鉄橋やトンネル内での懸架も可能なように軽量化が不可欠とされ、ケーブル構成材料の選択や冷媒流路構成も電力用超電導ケーブルとは異なり、コンパクト化を図るため、前記冷媒通路は内管と外管との二重管によって構成し、前記内管の内部空間を前記冷媒往路、前記内管と外管の間の空間を前記冷媒復路とし、前記冷媒往路と冷媒復路の間に熱絶縁体を設けたことを特徴とする。
即ち電気鉄道用に超電導饋電線として使用される超電導導体と、前記超電導導体を冷却する冷媒を流す冷媒往路及び冷媒復路を含む二以上の冷媒通路と、管内部に前記超電導導体と前記冷媒通路とが形成される断熱管とを有する超電導ケーブルにおいて、前記冷媒通路は、内管と外管との二重管によって、前記内管の内部空間に前記冷媒往路、前記内管と外管の間の空間に前記冷媒復路が形成され、前記冷媒往路と冷媒復路の間に熱絶縁体が設けられ、前記熱絶縁体の外周側に前記超電導導体が設けられ、前記冷媒復路を流れる冷媒によって、前記超電導導体が冷却されるとともに、前記内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記冷媒の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬとしたとき、ｈ≦ＣＶ／Ｌとなる関係を満たす体積流量Ｖの前記冷媒で冷却されることを特徴とする。
ｈ：内管の材料の熱伝達係数（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）
Ｃ：単位長当たりの熱容量（Ｊ／ｃｍ・Ｋ）
Ｖ：寒冷であるＬＮ２の流速（ｃｍ／ｓｅｃ）
Ｌ：ケーブルの全長（ｃｍ）
又本発明は、ケーブル冷却系は、ケーブル入口点で流入した寒冷が前記寒冷往路を通り終端で折り返し前記寒冷復路を通って入口点に戻る超電導ケーブルにある。
又請求項３に記載のように前記同軸二重管構成の超電導ケーブルは、前記往路寒冷と前記復路寒冷とが熱絶縁体で遮熱されているとはいえ、ケーブル長さ方向に沿って前記往路寒冷と前記復路寒冷とが熱交換し超電導ケーブルの温度分布は長さ方向に対して２次曲線となり極大値が発生するので、前記超電導導体の特性劣化を防ぐために前記極大値をできる限り小さくする必要がある。
ケーブル長をL(m)、往路と復路間の熱伝達係数をh(kW/k-m)、寒冷流量をm(kg/sec)、復路寒冷への熱侵入をq(kW/m)、寒冷の比熱をCp(kJ/kg-K)、ケーブル入口点の寒冷温度をT10(K)とすると、往路・復路寒冷の温度はそれぞれ以下のように解析的に求められ、
0005922922.tif 000002
ケーブルで重要なのは復路冷媒の温度Ｔ２（ｘ）で極大値を与える位置は
0005922922.tif 000003
で、
0005922922.tif 000004
を満たせば良く、この冷却条件を満たす超電導ケーブルを請求項３とする。
ただし、（２）式の代わりに、本願ではｈ≦ＣＶ／Ｌが前記請求項（７、０参照）に記載されている。
【００１４】
したがって前記冷媒往路内に第二の超電導導体が設けられているのがよく更に本発明は、前記内管が、前記熱絶縁体によって形成され、前記超電導導体が、前記内管の外表面に捲回されているのがよい。
更に本発明は前記内管はポリテトラフルオロエチレン又はナイロンによって形成されているのがよく、又前記外管はコルゲート配管であるのがよい。
【００１５】
更に本発明は、電気鉄道用に使用される超電導ケーブルと、ポンプによって前記超電導ケーブルの冷媒復路の出口から排出される冷媒を前記電導ケーブルの冷媒往路の入口に戻すことができる循環回路と、前記循環回路中の冷媒を冷却する冷却手段とを備えるのがよく、更に前記ポンプは、前記内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記冷媒の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬ（ｃｍ）としたとき、ｈ≦ＣＶ／Ｌなる関係を満たす体積流量Ｖで前記冷媒を吐出する能力を有するのがよい。
【００１６】
又超電導ケーブルの冷却方法の発明において、前記冷媒往路に連続的に冷媒を供給するとともに、前記冷媒復路から前記冷媒を取り出し、前記冷媒復路から取り出した冷媒を冷却して再度冷媒往路に供給することで、前記冷媒を循環利用するのがよい。更に内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記冷媒の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬとしたとき、ｈ≦ＣＶ／Ｌなる関係を満たす体積流量Ｖで、前記冷媒を前記冷媒往路に連続的に供給するのがよい。
上記の課題を解決するために、本発明においては、超電導導体と、前記超電導導体を冷却する冷媒を流す冷媒往路及び冷媒復路を含む二以上の冷媒通路と、管内部に前記超伝導体と前記冷媒通路とが形成される断熱管とを有する超電導ケーブルにおいて、前記冷媒通路は、内管と外管との二重管によって、前記内管の内部空間に前記冷媒往路、前記内管と外管の間の空間に前記冷媒復路が形成され、前記冷媒往路と冷媒復路の間に熱絶縁体が設けられ、前記熱絶縁体の外周側に前記超電導導体が設けられ、前記冷媒復路を流れる冷媒によって、前記超電導導体が冷却されること、好ましくは前記冷媒復路を流れる冷媒によって、前記超電導導体が冷却されるとともに、前記内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記冷媒の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬとしたとき、ｈ≦ＣＶ／Ｌなる関係を満たす体積流量Ｖの前記冷媒で冷却されることを特徴とする電気鉄道用に使用される超電導ケーブルにあるのがよい。これにより、一本の超電導ケーブルでも別途寒冷の戻り回線を設けることなく寒冷の循環流路を確保することができる。
【００１７】
また、前記冷媒往路内に第二の超電導導体が設けられていてもよい。
これにより、別個の２つの送電系統を実現することができる電力運用効率を格段に高めることができる。
本発明の超電導ケーブルを電気鉄道に適用する場合、より外側に設けられる前記超電導導体を多数のパワーリードが接続される超電導ケーブルとして使用すると、電流取り出し部分の実現が容易である。加えて、より内側に設けられる前記第二の超電導導体を変電所間の電力を融通する超電導ケーブルとして使用することで、電気鉄道の電力運用効率を格段に高めることができる。
【００１８】
また、前記内管は、熱絶縁体によって形成され、前記超電導導体は、前記内管の外表面に捲回されているとよい。
内管を熱絶縁体で形成することによって、冷媒復路の寒冷の体積流量Ｖにもよるが、戻りの寒冷の最高温度となる点を超電導ケーブルの入口点以前とすることができ、ケーブル途中での最高温度の発生は無くなる。従って、超電導ケーブルの臨界電流Ｉｃが最小になる点が寒冷吐出点となるので、超電導送電ケーブルの運転管理や動作限界も容易に把握できる。前記熱絶縁体としては、後述のポリテトラフルオロエチレン、ナイロンを例示することができる。
【００１９】
また、前記内管はポリテトラフルオロエチレン又はナイロンによって形成されているとよい。
ポリテトラフルオロエチレン及びナイロンは、熱絶縁性に優れ、しかも安価で簡単に入手することができるためである。また、ポリテトラフルオロエチレン及びナイロンはフレキシビリティに優れており、ケーブルの柔軟性に貢献する。さらに、ポリテトラフルオロエチレン及びナイロンは滑りやすく冷却による熱収縮が生じても上部に巻きつけた超電導層を滑らすことができ、超電導層に機械的に無理な力をかけることがない。
【００２０】
また、前記外管はコルゲート配管であるとよい。
外管をコルゲート配管とすることで、冷却時に熱収縮が起こっても熱収縮分を吸収することができる。
【００２１】
また、前記内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記冷媒の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬとしたとき、
ｈ≦ＣＶ／Ｌ
なる関係を満たす体積流量Ｖの前記冷媒で前記超電導ケーブルが冷却されるとよい。
前記関係を満たす体積流量Ｖで超電導ケーブルを冷却することで、戻りの寒冷の最高温度となる点を超電導ケーブルの入口点以前とすることができ、ケーブル途中での最高温度の発生は無くすことができる。
【００２２】
また、超電導ケーブルの冷却装置の発明として、請求項１〜４何れかに記載の超電導ケーブルと、ポンプによって前記超電導ケーブルの冷媒復路の出口から排出される冷媒を前記電導ケーブルの冷媒往路の入口に戻すことができる循環回路と、前記循環回路中の冷媒を冷却する冷却手段とを備えるのがよい。
【００２３】
また、前記ポンプは、前記内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記寒冷の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬとしたとき、
ｈ≦ＣＶ／Ｌ
なる関係を満たす体積流量Ｖで前記寒冷を吐出する能力を有するとよい。
前記関係を満たす体積流量Ｖで戻りの寒冷の最高温度となる点を超電導ケーブルの入口点以前とすることができ、ケーブル途中での最高温度の発生は無くすことができる。
【００２４】
また、超電導ケーブルの冷却方法の発明として、請求項１〜４何れかに記載の超電導ケーブルの冷却方法であって、前記冷媒往路に連続的に冷媒を供給するとともに、前記冷媒復路から前記冷媒を取り出し、前記冷媒復路から取り出した冷媒を冷却して再度冷媒往路に供給することで、前記冷媒を循環利用するのがよい。
【００２５】
特に前記内管の材料の熱伝達係数をｈ、前記冷媒の単位長当たりの熱容量をＣ、前記超電導ケーブルの全長をＬとしたとき、
ｈ≦ＣＶ／Ｌ
なる関係を満たす体積流量Ｖで、前記冷媒を前記冷媒往路に連続的に供給するとよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、超電導饋電線のように直流で且つ１回線のみ敷設される超電導ケーブルについて、寒冷の戻り回線を別途設けることなく、寒冷の低温を有効に循環利用することができる超電導ケーブルの冷却装置及び冷却方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】同軸円筒構造の超電導饋電線の断面図である。
【図２】熱伝達係数ｈを変化させた場合におけるＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗ冷却のＬＮ２の温度を示すグラフである。
【図３】実施形態１における超電導饋電線の模式図であり、この図で、冷媒復路１４の引き出し線の位置は断熱層になっている。
【図４】実施形態１の超電導饋電線の作成の手順の説明図である。
【図５】実施形態１における超電導饋電線の冷却装置１００の構成を示すブロック図である。
【図６】実施形態２における複合式超電導饋電線の断面図である。
【図７】実施形態２における複合式超電導饋電線のパワーリード周辺を示すブロック図である。
【図８】実施形態２における複合式超電導饋電線が用いられる電気鉄道の電気網のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２９】
発明の実施にあたり、まず、発明者は超電導饋電線における寒冷の循環系として、簡単な構造である同軸円筒構造について検討した。
図１は、想定される同軸円筒構造の超電導饋電線の断面図であり、図１（ａ）は寒冷の行き（以下、ＧｏＦｌｏｗと称する）において超電導ケーブルを冷却する場合、図１（ｂ）は寒冷の戻り（以下、ＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗと称する）において超電導ケーブルを冷却する場合における超電導饋電線の断面図である。
【００３０】
図１（ａ）において、超電導饋電線１０１は、冷却の対象となる超電導層１０２及びシールド超電導層１０４が内管１０６内に同軸に挿入され、内管１０６が外管１０８内に同軸に挿入され、外管１０８が真空外套１１０内に同軸に挿入されている。シールド超電導層１０４と内管１０６の間に形成される空間１１２にはＧｏＦｌｏｗの寒冷である液体窒素（以下、ＬＮ２と称する）が流れ、内管１０６と外管１０８の間に形成される空間１１４にはＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗの寒冷であるＬＮ２が流れ、外管１０８と真空外套１１０の間の空間１１６は真空に保たれて断熱層を構成している。図１（ａ）に示した構成では、冷却対象の超電導層１０２及びシールド超電導層１０４は空間１１２を流れるＧｏＦｌｏｗのＬＮ２によって冷却される。
【００３１】
一方、図１（ｂ）において、超電導饋電線１２１は、内管１２６の外周に冷却の対象となる超電導層１２２及びシールド超電導層１２４が巻きつけて取り付けられ、内管１２６が外管１２８内に同軸に挿入され、外管１２８が真空外套１３０内に同軸に挿入されている。内管１２６内の空間１３２にはＧｏＦｌｏｗのＬＮ２が流れ、シールド超電導層１２４と外管１２８の間に形成される空間１３４にはＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗの寒冷であるＬＮ２が流れ、外管１２８と真空外套１３０の間の空間１３６は真空に保たれるように構成される。図１（ｂ）に示した構成では、冷却対象の超電導層１２２及びシールド超電導層１２４は空間１３４を流れるＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗのＬＮ２によって冷却される。
【００３２】
一般的に内管内を流れるＧｏＦｌｏｗのＬＮ２の方が、ＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗのＬＮ２よりも低温であるため、冷却の面では図１（ａ）に示した構成の方が図１（ｂ）に示した構成よりも有利であると考えられる。しかし、超電導饋電線においては、途中にトロリー線に頻繁に電力を供給する多数のパワーリード接続が必要であるため、図１（ａ）に示したＧｏＦｌｏｗ冷却はパワーリードへの電流導出構造が難しくなるため、超電導饋電線の冷却には適当ではない。
そこで、本発明においては図１（ｂ）に示したＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗ冷却を適用することとした。
【００３３】
ここで、図１（ｂ）に示す同軸二重冷却管構造のケーブルにおいては、ＧｏＦｌｏｗ冷却用とＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗ冷却用のＬＮ２が熱交換すると、ケーブルの温度分布は流路に沿って単調に増加せずに、以下で説明するように２次曲線分布となる。この場合は、ケーブルの最高温度は熱負荷で決まる温度以上の高温になる可能性があり、超電導特性を劣化させる要因となる。
【００３４】
図１（ｂ）に示した同軸二重冷却管構造のケーブルにおけるケーブルの温度分布について説明する。
図１（ｂ）の空間１３２内の行きのＬＮ２の流れを「１」、空間１３４内の戻りのＬＮ２の流れを「２」とし、超電導饋電線１２１の行きのＬＮ２の導入側の入口をｘ＝０、他端をｘ＝Ｌとし、ケーブルは十分長く一次元近似できるものとして定式化すると、ケーブルの冷却状態を表す（１）式が得られる。
0005922922.tif 000005
ここで、Ｃは単位長当たりの熱容量で、厳密には寒冷であるＬＮ２と配管熱容量の合計値であるが配管熱容量は十分小さいため寒冷であるＬＮ２の単位長当たりの熱容量で代表しＣ＝ＣｐＡρ［（Ｊ／ｇ・Ｋ）（ｃｍ２）（ｇ／ｃｍ３）→（Ｊ／ｃｍ・Ｋ）］とする。ここで、Ｃｐは液体窒素の定圧比熱、ρは密度、Ａは流路断面積である。Ｋ１、Ｋ２は配管の長さ方向の熱拡散係数（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）であるが、十分に長いケーブル全体の温度分布を求める場合には配管長さ方向の熱拡散は無視できるとする。Ｖは寒冷であるＬＮ２の流速［ｃｍ／ｓｅｃ］であり、行きも戻りも流路断面積は同じとして互いに逆向きだで流速は同じとする。ｈは行きと戻りの配管間の単位長当たりの熱伝達係数（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）である。また、ｑはケーブルの単位長当たりの熱侵入量（Ｗ／ｃｍ）であり、外側を流れるＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗ（空間１３４）にのみ侵入し、内側のＧｏＦｌｏｗ（空間１３２）への熱侵入はゼロとし、（１）式を解くと（２）式が得られる。
0005922922.tif 000006
ここで、Ｃｐは液体窒素の定圧比熱、ｍは液体窒素の質量流量である。
【００３５】
図１（ｂ）に示す超電導饋電線では、超電導ケーブルを冷却するＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗ冷却のＬＮ２のＴ２（ｘ）の分布が重要になる。（２）式から明らかなように、Ｔ２（ｘ）は２次曲線分布となり、最大温度及び最大温度を示す点は（３）式で求められる。
0005922922.tif 000007
【００３６】
仮に、行きと戻りの２つのＬＮ２の流れが完全に断熱状態であればｈ＝０となり、この場合には中心に形成される空間１３２を流れるＬＮ２がＴ１（ｘ）＝Ｔ０のままで全く温度上昇でず、ＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗの温度分布のみがＴ２（ｘ）＝Ｔ０＋（ｑ／ＣＶ）（Ｌ−ｘ）となり終端部から入口側に向かい上昇する直線的な温度分布となる。この場合、Ｔ２（ｘ）が最大になる点はケーブルからＬＮ２が吐出する点、即ちｘ＝０となり、最高温度はＴ２Ｍ＝Ｔ０＋ｑＬ／ＣＶとなる。このＴ２Ｍと（３）式のＴ２ｍａｘとを比較すると、（４）式が成立する。
0005922922.tif 000008
【００３７】
（４）式が常に正であることは、行きと戻りの２つのＬＮ２の流れが熱接触すると、ＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗのＬＮ２温度が熱負荷で決まる温度上昇よりも高くなる可能性があることを示している。これは超電導線を必要以上に加熱することになり超電導線の臨界電流Ｉｃの低下を招き、最高温度を与える領域が送電ケーブルの途中で発生すると現実的にはケーブルの何処の点でＩｃが最小となるかを特定できず超電導ケーブルの限界性能を把握することが難しくなる。
そこで、ＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗのＬＮ２（外側ＬＮ２）が最高温度を示す位置をｘｍａｘ≦０、即ちケーブルの外になるように設定すればよい。これには、２つの流れの間の熱伝達係数ｈを出来る限り小さく、また最高温度そのものを低くする熱侵入ｑを出来る限り小さくすればよい。
【００３８】
図２は、熱伝達係数ｈを変化させた場合におけるＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗ冷却のＬＮ２の温度を示すグラフである。縦軸はＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗ冷却のＬＮ２の温度（Ｋ）、横軸はケーブル長さ（ｍ）を表している。
図２において、グラフａ、ｂ、ｃの順にｈを変化させてゼロに近づけている。図２から明らかであるように、ｈが最も大きなグラフａでは外側ＬＮ２が最高温度を示す位置のｘ＝ｘａが最も大きく、グラフｂ、ｃと熱伝達係数ｈを小さくするにしたがってｘ＝ｘｂ、ｘｃとｘの値が小さくなりｘｃにおいては０よりも小さな値となっている。また、グラフａ、ｂ、ｃの順にＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗのＬＮ２の最高温度も小さくなっている。
つまり、図２に示すグラフｃのように、外側ＬＮ２が最高温度を示す位置をｘｍａｘ≦０、即ちケーブルの外になるように設定すれば、前述の超電導線の必要以上の加熱、超電導ケーブルの限界性能を把握が困難になることを回避できる。
【実施例】
【００３９】
（実施形態１）
（超電導饋電線の構造）
以上のことから、本発明においては、図１（ｂ）に示したようなＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗのＬＮ２で冷却を行い、熱伝達係数ｈを小さくする構造とすることとした。熱伝達係数ｈを小さくする即ち行きのＬＮ２と戻りのＬＮ２との間の熱接触を低減ためには、究極的には行きのＬＮ２の通路と戻りのＬＮ２の通路との間に真空断熱層を設けるとよいが、２つの配管の間に真空層を設けるためには正確に管を一定間隔に保つ必要があり現実的ではない。
【００４０】
そこで、実施形態１においては、行きのＬＮ２の通路と戻りのＬＮ２の通路の間に熱絶縁特性に優れたポリテトラフルオロエチレンやナイロン等の熱絶縁材の層を設け、熱伝達係数ｈを小さくすることとした。
【００４１】
図３は実施形態１における超電導饋電線の模式図であり、この図で、冷媒復路１４の引き出し線の位置は断熱層になっているが、下図参考図「１４冷媒復路」の通り、実際はもう一つ内側の管が冷媒戻りの管路が正しい引き出し線位置となる。
図４は実施形態１の超電導饋電線の作成の手順の説明図である。図３及び図４を用いて実施形態１に係る超電導饋電線の構成及び作成の手順について説明する。
【００４２】
図３及び図４において、超電導饋電線１は、まず熱絶縁材であるポリテトラフルオロエチレン製のパイプである内管６の外周上に安定化胴のテープと超電導テープ線を巻きつけて超電導層２を形成する。次に、超電導層２の上に電気絶縁紙を巻きつけて電気絶縁層３を形成し、その上にシールド超電導層４を形成する。そして、シールド超電導層４の上にさらに電気絶縁紙を巻きつけて電気絶縁層５を形成し、電気絶縁層５の上に導体保護層７を巻きつけて形成する。そして、内管６、超電導層２、電気絶縁層３、シールド超電導層４、電気絶縁層５、導体保護層７の全体をフレキシブル（コルゲート）構造の銅パイプである外管８内に挿入する。そして外管８を真空外套１０内に挿入して、超電導饋電線１が形成される。なお、図４においては真空外套１０の図示を省略している。
【００４３】
図３に示した超電導饋電線１においては、内管６の内側の空間１２をＧｏＦｌｏｗのＬＮ２が流れ、導体保護層７と外管８の間の空間１４をＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗのＬＮ２が流れる。また、外管８と真空外套１０の間の空間１６は真空に保たれて断熱層を構成する。
【００４４】
図３に示した超電導饋電線のケーブル構造では、超電導層２、電気絶縁層３、シールド超電導層４、電気絶縁層５、導体保護層７の電気関係の層は全て内管６の外側に設けられるので、該電気関係の層にケーブル途中でパワーリードを接続することが簡単であり、該接続時にポリテトラフルオロエチレン製の内管６を傷つける可能性も低い。
【００４５】
さらに、内管６を熱絶縁材であるポリテトラフルオロエチレン製とすることで、前述の熱伝達係数ｈを小さくすることができ、寒冷の体積流量Ｖにもよるが、（３）式においてｈ≦ＣＶ／Ｌを満たすことが容易となる。（３）式においてｈ≦ＣＶ／Ｌを満たすことで、図２にグラフｃで示したような、戻りのＬＮ２の最高温度を戻り流れ（ＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗ）の入口点以前（ｘ≦０）とすることができ、ケーブル途中での最高温度の発生は無くなる。また、超電導線の臨界電流Ｉｃが最小になる点がＬＮ２吐出点（ｘ＝０）なので、超電導送電ケーブルの運転管理や動作限界も容易に把握できる。
【００４６】
実施形態１においては、内部配管を金属パイプでなく熱絶縁材であるポリテトラフルオロエチレン製とすることで、ケーブル冷却系として以下の効果を得ることができる。
まず、一本の超電導ケーブルでも寒冷であるＬＮ２の循環流路を確保することができ、ケーブルをコンパクト化することができる。また、内管６をポリテトラフルオロエチレン等の熱絶縁体製とすることで、ＧｏＦｌｏｗとＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗのＬＮ２の熱接触を回避し、同軸二重冷却管特有な温度分布を単純Ｆｌｏｗの冷却管温度分布に近づけることができる。また、ケーブルの最高温度をＬＮ２吐出点（ｘ＝０）とできるのでケーブル冷却の管理が容易になる。また、多数のパワーリードを取り付ける必要がある超電導導体６０を外側を流れる戻りのＬＮ２で冷却する構造であるので、電流取り出しの実現が容易である。また、ポリテトラフルオロエチレンはフレキシビリティに優れており、ケーブルの柔軟性に貢献する。また、ポリテトラフルオロエチレンは滑りやすく冷却による熱収縮が生じても上部に巻きつけた超電導層を滑らすことができ、超電導層に機械的に無理な力をかけることがない。
【００４７】
（超電導饋電線の冷却装置について）
図５は、実施形態１における超電導饋電線の冷却装置１００の構成を示すブロック図である。
図５において、図３、図４と同一の符号は同一のものを表すものとし、その説明を省略する。
図５において、超電導饋電線１を構成する外管８の内部には、図３、図４を用いて説明した内管６と超電導層２、電気絶縁層３、シールド超電導層４、電気絶縁層５及び導体保護層７が内挿される部分と、その両端には寒冷であるＮＬ２が導入される導入部１８と、折り返し部１７が設けられている。折り返し部１７及び接続部１８には、超電導饋電線１に外部から電流を流すための接続部分であるパワーリード１３及び１５がそれぞれ設けられている。導入部１８にはパワーリード１３、１５からの熱侵入を冷却するための冷凍機１９が設けられている。また、導入部１８には後述する導入配管３９が接続され、空間１４の導入部１８側末端近傍には後述する排出配管４１が接続される。
【００４８】
２２は、ＬＮ２（２４）が貯留される貯留タンクである。貯留タンク２４には真空ポンプ３２が設けられ、内部は真空に保たれる。また、貯留タンク２４には途中に冷凍機２８を備えた回路３０が設けられている。２６は回路に貯留タンク２４内のＬＮ２（２４）を供給するためのポンプであり、２７はポンプ２６のモータである。また、３４はリザーバニットであり、貯留タンク２２内のＬＮ２（２４）が減少したときに補充するためのものである。
【００４９】
導入部１８に接続された導入配管３９が設けられている。導入配管３９は、一端が導入部１８に接続されるとともに、他端が貯留タンク２２内のＬＮ２（２４）内に設けられた熱交換器３８の吐出側に接続されている。空間１４の導入部１８側末端近傍には途中に流量計ユニット４０が設けられた排出配管４１が接続されている。排出配管４１は、一端が前述の通り空間１４に接続されるとともに、他端は吐出側が熱交換器３８の入口側に接続された循環ポンプ３６の入口側に接続されている。なお、３７は循環ポンプ３６を駆動するためのモータである。
つまり、循環ポンプ３６→熱交換器３８→導入配管３９→導入部１８→空間１２→折り返し部１７→空間１４→排出配管４１→循環ポンプ３６の順に循環する循環回路５０が形成される。該循環回路５０にはＬＮ２が満たされ、循環ポンプ３６を駆動することにより循環回路５０内のＬＮ２が循環する。
【００５０】
以上の構成の超電導饋電線の冷却装置１００において、超電導饋電線１を冷却する際は、まず真空ポンプ３２を駆動させ貯留タンク２２内を真空状態にするとともに、ポンプ２６及び冷凍機２８を駆動する。ポンプ２６及び冷凍機２８を駆動することにより、貯留タンク２２内のＬＮ２が回路３０を循環し、冷凍機２８によって冷却される。
【００５１】
貯留タンク２２内のＬＮ２が冷却されたら、循環ポンプ３６を駆動する。循環ポンプ３６を駆動することにより、循環回路５０内に満たされたＬＮ２が循環回路５０内を、循環ポンプ３６→熱交換器３８→導入配管３９→導入部１８→空間１２→折り返し部１７→空間１４→排出配管４１→循環ポンプ３６の順に循環する。該循環の際に、循環回路５０内のＬＮ２は、熱交換器３８で、冷凍機２８によって冷却された貯留タンク２２内のＬＮ２（２４）と熱交換することによって冷却される。熱交換器３８での熱交換により冷却された循環回路５０内のＬＮ２が空間１４内を流通することにより、超電導導体６０が冷却される。
【００５２】
（実施形態２）
図３、図４を用いて説明した実施形態１に係る超電導饋電線においては、ケーブル途中でパワーリードを接続するのも簡単であり、内管であるポリテトラフルオロエチレンパイプを傷つける可能性が低く第一超電導饋電線として最適なものであるが、ＧｏＦｌｏｗは単にＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗへの供給源でしかなく、寒冷の利用効率をさらに向上させることが望ましい。なお、ここで、前記第一超電導饋電線とは、トロリー線に電力を直接供給するためにパワーリードが存在する超電導饋電線を称している。
【００５３】
寒冷の利用効率をさらに向上させるため、発明者は超電導饋電線に電気車への電力輸送のみならず変電所間専用の電力輸送を可能とする複合式超電導饋電線の併設を検討し発明の完成に至った。
【００５４】
変電所間専用の超電導饋電線を第二超伝導饋電線と称することとし、全体の超電導饋電線を複合式超電導饋電線と称することとする。
【００５５】
図６は、実施形態２における複合式超電導饋電線の断面図であり、図７は、実施形態２における複合式超電導饋電線のパワーリード周辺を示すブロック図である。
図６及び図７において、超電導饋電線７１は、冷却の対象となる第二超電導饋電線７３が熱絶縁材であるポリテトラフルオロエチレン製のパイプである内管７６内に同軸に挿入され、内管７６が外管７８内に同軸に挿入され、外管７８が真空外套８０内に同軸に挿入されている。また内管７６の外周には第一超電導饋電線７２が巻きつけて取り付けられている。第二超電導饋電線７３と内管７６の間に形成される空間８２にはＧｏＦｌｏｗの寒冷であるＬＮ２が流れ、第一超電導饋電線７２と外管７８の間に形成される空間８４にはＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗの寒冷であるＬＮ２が流れ、外管７８と真空外套８０の間の空間８６は真空に保たれて断熱層を構成している。図６に示した構成では、冷却対象の第二超電導饋電線７３は空間８２を流れるＧｏＦｌｏｗのＬＮ２によって冷却され、第一超電導饋電線７２は空間８５を流れるＲｅｔｕｒｎＦｌｏｗのＬＮ２によって冷却される。
【００５６】
図６及び図７に示した複合式超電導饋電線によれば、図３及び図４に示した実施形態１における超電導ケーブルと寒冷であるＬＮ２の流れを全く変更することなく、別個の２つの送電系統を実現することができる。
【００５７】
次に、実施形態２に係る複合式超電導饋電線の使用例について説明する。
図８は、実施形態２における複合式超電導饋電線が用いられる電気鉄道の電気網のブロック図である。図８においては、複合式超電導饋電線７１のうち、第一超電導饋電線７２及び第二超電導饋電線７３のみを示し、内管７６、外管７８等その他の複合式超電導饋電線７１の構成部品は省略している。
【００５８】
図８において、Ｂ点で電気車９２ｂが全力走行して大量に電力が使用されている場合を考える。このとき、Ｂ点に最も近い変電所９０ｂは電気車９２ｂへの電力供給に従事する。
【００５９】
さらに、図８に示したＡ点に回生制動中の電気車９２ａがあり、一方Ａ点とはＢ点を挟んだ反対側であるＣ点に加速中の電気車９２ｃがある場合を考える。
この場合、仮に第一超電導饋電線７２だけであれば途中の変電所９０ｂに余力がない場合には電気車９２ａの発生電力を電気車９２ｃに融通することができない。しかし、本実施形態においては、第二超電導饋電線７３が存在するため、変電所９０ａ→第二超電導饋電線７３→変電所９０ｃと経由して、加速中の電気車９２ｃに電気車９２ａの回生エネルギーを供給することができる。このように、第二超電導饋電線７３を設けて変電所間の電力融通に使用することにより、電気鉄道の電力運用効率を格段に高めることができる。
【００６０】
また、第二超伝導饋電線７３は、変電所間の電力融通に使用するため、途中でパワーリードとの接続がないので、図６及び図７に示すように内管７６内に設けることが可能である。さらに、第二超電導饋電線７３は直流通電であるので電気的な損失がなく寒冷であるＬＮ２の温度上昇も生じないため、第一超電導饋電線７２は第二超電導饋電線７３の存在とは無関係に電気車への電力供給が可能である。
【００６１】
実施形態２においては、実施形態１と同様の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
別個の２つの送電系統を実現することができる電力運用効率を格段に高めることができる。また、変電所間の電力を融通する第二超電導饋電線は、ポリテトラフルオロエチレン製の内管７６内に設置され、内管７６内を流れる行きのＬＮ２で冷却されるが、超電導饋電線は直流通電であるためＬＮ２の温度を全く上昇させることがない。超電導饋電線用の冷凍機が変電所内に設置される場合、ＧｏＦｌｏｗのＬＮ２の温度上昇に影響がある第二超電導饋電線のパワーリード熱負荷については、パワーリードが冷凍機近傍に設置されるので容易に対応できる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
超電導饋電線のように直流で且つ１回線のみ敷設される超電導ケーブルについて、寒冷の戻り回線を別途設けることなく、寒冷の低温を有効に循環利用することができる超電導ケーブルの冷却装置及び冷却方法として利用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１  超電導饋電線
２  超電導層
３  電気絶縁層
４  シールド超電導層
５  電気絶縁層
６  内管
７  導体保護層
８  外管
１０  真空外套
１２  空間（冷媒往路）
１４  空間（冷媒復路）
３８  熱交換器（冷却手段）
５０  循環回路
６０  超電導導体
【図１】
0005922922.tif 000009
【図２】
0005922922.tif 000010
【図３】
0005922922.tif 000011
【図４】
0005922922.tif 000012
【図５】
0005922922.tif 000013
【図６】
0005922922.tif 000014
【図７】
0005922922.tif 000015
【図８】
0005922922.tif 000016