(57)【要約】【課題】冷媒温度を管理し易い超電導ケーブルを提供する。【解決手段】中空のフォーマと、前記フォーマの外周に設けられた超電導導体層とを備えるケーブルコアと、前記ケーブルコアを収納するケーブル断熱管と、前記フォーマの内部空間及び前記ケーブル断熱管の内部空間のうち、一方の前記内部空間を冷媒の往路とし、他方の前記内部空間を前記冷媒の復路とし、前記往路と前記復路との間を仕切る断熱部とを備える超電導ケーブル。【選択図】図１
2019036441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のフォーマと、前記フォーマの外周に設けられた超電導導体層とを備えるケーブルコアと、
前記ケーブルコアを収納するケーブル断熱管と、
前記フォーマの内部空間及び前記ケーブル断熱管の内部空間のうち、一方の前記内部空間を冷媒の往路とし、他方の前記内部空間を前記冷媒の復路とし、前記往路と前記復路との間を仕切る断熱部とを備える超電導ケーブル。
【請求項２】
前記断熱部は、真空断熱構造を備える請求項１に記載の超電導ケーブル。
【請求項３】
前記フォーマは真空断熱管を備え、前記断熱部を兼ねる請求項２に記載の超電導ケーブル。
【請求項４】
前記フォーマの内部空間を前記冷媒の往路とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導ケーブルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力ケーブルの一つとして、フォーマの外周に超電導導体層を備えるケーブルコアを真空断熱管に収納した超電導ケーブルがある（例えば、特許文献１）。特許文献１の図２は、中空のフォーマの内部を液体窒素といった冷媒の往路とし、上記真空断熱管の内管の内周面とケーブルコアの外周面との間の空間を冷媒の復路とする構成を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１３４６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷媒温度を管理し易い超電導ケーブルが望まれている。
【０００５】
超電導ケーブルにおいて、中空のフォーマとケーブル断熱管とを往復路に用いた冷媒流路を構築する場合、超電導ケーブルの一端部に冷媒の導入口（往路の入口）と、冷媒の排出口（復路の出口）とを設け、超電導ケーブルの他端部を折り返し地点とすることが考えられる。このような冷媒流路において、所定の温度に冷却した冷媒を往路の入口に導入する場合、往路の入口近傍の冷媒温度が最も低く、復路の出口近傍の冷媒温度が最も高いと考えられる。往路の入口から復路の出口に向かうにつれて、侵入熱などによって冷媒温度が上昇するからである。このことから、超電導ケーブルの一端側で往路の入口の冷媒温度と復路の出口の冷媒温度とを測定して温度管理を行えば、管理し易いと考えられる。しかし、本発明者は、後述する試験例に示すように、上述の冷媒流路において冷媒が最高温度をとる地点は、復路の出口近傍ではない場合があるとの知見を得た。そのため、上述のように超電導ケーブルの一端側で冷媒温度を測定していては、適切な温度管理が行えない可能性がある。従って、冷媒流路内の冷媒温度を適切に把握できて、冷媒の温度管理を行い易い超電導ケーブルが望まれる。
【０００６】
そこで、冷媒温度を管理し易い超電導ケーブルを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の超電導ケーブルは、
中空のフォーマと、前記フォーマの外周に設けられた超電導導体層とを備えるケーブルコアと、
前記ケーブルコアを収納するケーブル断熱管と、
前記フォーマの内部空間及び前記ケーブル断熱管の内部空間のうち、一方の前記内部空間を冷媒の往路とし、他方の前記内部空間を前記冷媒の復路とし、前記往路と前記復路との間を仕切る断熱部とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
上記の超電導ケーブルは、冷媒温度を管理し易い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１の超電導ケーブルを示す概略構成図である。
【図２】実施形態１の超電導ケーブルについて、冷媒流路における冷媒の温度分布を説明する説明図である。
【図３】試験例１において、ケーブルコアの断熱構造を異ならせたときの冷媒流路の各位置における冷媒の温度分布を示すグラフであり、内側流路を冷媒の往路とする場合を示す。
【図４】試験例１において、ケーブルコアの断熱構造を異ならせたときの冷媒流路の各位置における冷媒の温度分布を示すグラフであり、外側流路を冷媒の往路とする場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
（１）本発明の一態様に係る超電導ケーブルは、
中空のフォーマと、前記フォーマの外周に設けられた超電導導体層とを備えるケーブルコアと、
前記ケーブルコアを収納するケーブル断熱管と、
前記フォーマの内部空間及び前記ケーブル断熱管の内部空間のうち、一方の前記内部空間を冷媒の往路とし、他方の前記内部空間を前記冷媒の復路とし、前記往路と前記復路との間を仕切る断熱部とを備える。
前記断熱部とは、前記往路と前記復路との間の構成要素を介した熱伝導を、前記断熱部を有さない場合に比較して低減可能な断熱構造を有するものとする。詳細は後述する。
【００１１】
上記の超電導ケーブルは、中空のフォーマとケーブル断熱管とを往復路に用いた冷媒流路を備え、この冷媒流路の往路と復路との間に断熱部が介在する。そのため、往路と復路との間にケーブルコアの構成要素が介在するものの、往路と復路との間における上記構成要素を介した熱伝導を断熱部によって低減できる。従って、上記の超電導ケーブルによれば、以下に説明するように冷媒温度を管理し易い。
【００１２】
往路と復路とを仕切る断熱部が無い場合には、往路に導入された低温の冷媒によって、復路の出口近傍の冷媒がある程度冷却されて、復路の出口近傍の冷媒温度がある程度低くなり得る。かつ、往復路の折り返し地点に近づくにつれて温度上昇した冷媒によって、復路における上記折り返し箇所近くの冷媒温度がある程度高くなり得る。その結果、この往復路の冷媒流路における冷媒の最高温度をとる地点は、復路の出口近傍ではなく、復路の出口から離れた地点になり得る。従って、超電導ケーブルの一端側で往路の入口の冷媒温度と復路の出口の冷媒温度とを測定して温度管理を行うと、温度を測定し易いものの、温度調整を適切に行えない恐れがある。これに対し、上記の超電導ケーブルでは、上述の断熱部によってケーブルコアの構成要素を介した熱伝導を低減できるため、上記冷媒流路における冷媒の最高温度をとる地点を復路の出口近傍とすることができる。従って、上記の超電導ケーブルでは、往路の入口近傍の冷媒温度と復路の出口近傍の冷媒温度とを測定して温度管理を行えば、冷媒流路内の冷媒温度を適切に把握でき、測定結果に基づいて冷媒温度の調整を適切に行えて、健全な電力線路を維持できる。また、冷媒温度の測定箇所を超電導ケーブルの一端部側に集約することができるため、温度測定を行い易い。これらの理由により、温度管理を行い易い。
【００１３】
（２）上記の超電導ケーブルの一例として、
前記断熱部は、真空断熱構造を備える形態が挙げられる。
【００１４】
上記形態では、冷媒流路の往路と復路との間の熱伝導をより低減し易く、冷媒流路内の冷媒温度を適切に把握できて、冷媒温度を管理し易い。
【００１５】
（３）上記（２）の超電導ケーブルの一例として、
前記フォーマは真空断熱管を備え、前記断熱部を兼ねる形態が挙げられる。
【００１６】
上記形態は、上述の熱伝導をより低減し易い上に、フォーマが断熱部を兼ねるため、断熱部の具備によるケーブルの大型化を低減し易い。従って、上記形態は、冷媒温度を管理し易い上に、小型にし易い。
【００１７】
（４）上記の超電導ケーブルの一例として、
前記フォーマの内部空間を前記冷媒の往路とする形態が挙げられる。
【００１８】
上記形態は、往路内の冷媒の温度上昇を低減して、超電導ケーブルの他端部に設けられる復路の入口により低温の冷媒を導入し易い。従って、上記形態は、超電導ケーブルの他端部側から一端部側に向かって超電導導体層を効率よく冷却できる。
【００１９】
［本発明の実施形態の詳細］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の具体例を説明する。図において同一符号は同一名称物を意味する。
【００２０】
［実施形態１］
図１，図２を参照して、実施形態１の超電導ケーブル１を説明する。
図１は、超電導ケーブル１をその軸方向に直交する平面で切断した横断面図である。
図２の上は、超電導ケーブル１をその軸方向に平行な平面で切断した縦断面図であり、図２の下は、冷媒流路３の各地点の冷媒温度を示すグラフであり、模式的に示す。図２では、フォーマ１１を含めたケーブルコア１０の構成要素を簡略化して示す。
【００２１】
（概要）
実施形態１の超電導ケーブル１は、交流送電路や直流送電路といった電力線路などに利用されるものであり、中空のフォーマ１１と、フォーマ１１の外周に設けられた超電導導体層１２とを備えるケーブルコア１０と、ケーブルコア１０を収納するケーブル断熱管２とを備える。この超電導ケーブル１は、フォーマ１１の内部空間及びケーブル断熱管２の内部空間のうち、一方の内部空間を冷媒の往路とし、他方の内部空間を冷媒の復路とする冷媒流路３を備える。以下、フォーマ１１の内部空間を内側流路３ｉ、ケーブル断熱管２の内部空間を外側流路３ｏと呼ぶことがある。図２では、フォーマ１１の内部空間（内側流路３ｉ）を冷媒の往路とする場合を例示する。
【００２２】
ケーブルコア１０は代表的には超電導導体層１２の外周に電気絶縁層１３を備える。この例の超電導ケーブル１は、一つのケーブルコア１０が一つのケーブル断熱管２に収納された単心ケーブルであり、かつ超電導導体層１２及び電気絶縁層１３が冷媒４に冷却される低温絶縁型のケーブルである。
【００２３】
実施形態１の超電導ケーブル１は、上述の冷媒流路３の往路と復路との間を仕切る断熱部５とを備える。この例では断熱部５が真空断熱構造を備える場合を例示する。図１では、フォーマ１１が真空断熱管を備え、断熱部５を兼ねる場合を例示する。
以下、構成要素ごとに説明する。特に、断熱部５を詳細に説明する。
【００２４】
（ケーブルコア）
この例のケーブルコア１０は、中心から順にフォーマ１１、超電導導体層１２、電気絶縁層１３、外側導電層１４、保護層１５を同軸状に備える（図１）。
【００２５】
（（フォーマ））
フォーマ１１は、超電導導体層１２を支持する部材であると共に、内側流路３ｉを形成する部材である。そのため、フォーマ１１は中空体とする。フォーマ１１の構成材料は、液体窒素などの冷媒温度で利用可能であり、薄くても強度に優れる高強度材料、例えばステンレス鋼などの金属が挙げられる。
【００２６】
この例のフォーマ１１は真空断熱管であり、内側流路３ｉと、フォーマ１１の外周に設けられる外側流路３ｏとの間を熱絶縁する部材としても機能する。この例では、フォーマ１１は、内管１１ｉと外管１１ｏとを備える二重管であり、両管１１ｉ，１１ｏ間が真空引きされている。内管１１ｉ及び外管１１ｏはいずれも、その表裏に貫通する孔などを有しておらず、液体窒素などの冷媒４がその表裏に通過しない液密な管である。また、内管１１ｉ及び外管１１ｏはいずれも、螺旋状の凹凸が設けられたコルゲート管といった可撓管であり、上述の高強度材料から構成されていても可撓性に優れ、曲げなどを行い易い。内管１１ｉの内部空間が内側流路３ｉを形成する。
【００２７】
フォーマ１１をなす真空断熱管は、その真空度が高いほど（両管１１ｉ，１１ｏ間の内部空間の圧力が低いほど）、真空断熱管の熱伝導率を低くでき、上述の内側流路３ｉと外側流路３ｏとの間の熱絶縁性を高められて好ましい。上記真空断熱管の熱伝導率が０Ｗ／ｍ・Ｋに近いほど好ましく、所望の熱伝導率となるように真空度を調整する。真空度は、例えば、１×１０−３Ｐａ以下、更に１×１０−４Ｐａ以下が挙げられる。
【００２８】
又は、フォーマ１１を含めたケーブルコア１０全体の等価熱伝導率κが０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ未満を満たすように上記真空度が調整されていることが挙げられる。等価熱伝導率κは、小さいほど上述の内側流路３ｉと外側流路３ｏとの間の熱絶縁性を高められて好ましく、０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以下、０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることが好ましい。等価熱伝導率κの求め方は後述する。
【００２９】
その他、両管１１ｉ，１１ｏ間には、間隔を保持するためにスペーサを備えたり、断熱性をより高めるためにスーパーインシュレーション（商品名）などの断熱材を備えたりすることができる（いずれも図示せず）。
【００３０】
（（超電導導体層））
超電導導体層１２は、フォーマ１１の外周（この例では外管１１ｏの外周）に超電導線材をヘリカル巻きして形成される１層以上の線材層を備える。超電導線材は、酸化物超電導体を備えるテープ状線材、例えばＢｉ２２２３などのビスマス酸化物系銀シース線材や、ＲＥ１２３などの希土類酸化物系薄膜線材などが挙げられる。線材数や線材層の数は適宜選択できる。線材層間には、絶縁紙などを巻回した層間絶縁層（図示せず）を設けることができる。
【００３１】
（（その他の構成要素））
超電導導体層１２とその外部との電気的絶縁を確保する電気絶縁層１３、電界遮蔽や接地に利用される外側導電層１４（超電導材料でも常電導材料でもよい）、超電導導体層１２などを機械的に保護する保護層１５については公知の構成を利用できる。そのため、詳細な説明は省略する。
【００３２】
フォーマ１１と超電導導体層１２との間に介在層（図示せず）を備えることができる。介在層は、例えば、外管１１ｏをコルゲート管といった凹凸形状のものとする場合にこの凹凸を平滑にして超電導導体層１２を形成し易くするもの、その他、超電導導体層１２を機械的に保護するもの、事故電流の流路に用いるものなどを含むことができる。上述の平滑化や機械的保護を目的とする介在層としては、例えば、クラフト紙といった絶縁紙などを巻回してなる絶縁紙層を含むことが挙げられる。上述の電流路を目的とする介在層としては、銅やアルミニウム、その合金などの常電導材料からなる編組材、テープ、線材などからなる金属層を含むことが挙げられる。上述の絶縁紙層と金属層との双方を備えることもできる。
【００３３】
（断熱管）
ケーブル断熱管２は、ケーブルコア１０を収納すると共に、外側流路３ｏを形成する部材である。この例のケーブル断熱管２は、内管２ｉと外管２ｏとを備える真空断熱管であり、基本的構成は上述のフォーマ１１をなす真空断熱管を参照することができる。ケーブル断熱管２は公知の構成を利用できる。外管２ｏの外周には、代表的には、防食層（図示せず）が設けられる。
【００３４】
（冷媒）
冷媒４は、超電導導体層１２や外側導電層１４に備えられる超電導体を冷却して、超電導状態に維持するためのものである。上述の酸化物超電導体を備える場合の冷媒４としては液体窒素などの液体冷媒が挙げられる。
【００３５】
（冷媒流路）
超電導ケーブル１は、上述のようにフォーマ１１（内管１１ｉ）の内側空間を内側流路３ｉとし、ケーブル断熱管２（内管２ｉ）の内部空間を外側流路３ｏとし、両流路３ｉ，３ｏを往復路とする冷媒流路３を備える。この往復路は、代表的には、外部の冷却システム（図示せず）などで所定の温度に冷却された冷媒４が導入される往路の入口と、冷媒流路３を経て温度上昇した冷媒４を冷却システムなどに排出する復路の出口とを超電導ケーブル１の一端部に備え、往路の出口と復路の入口との接続箇所、いわば冷媒４の折り返し箇所を超電導ケーブル１の他端部に備える。即ち、超電導ケーブル１の一端部から他端部に向かって往路が設けられ、他端部から一端部に向かって復路が設けられる。
【００３６】
内側流路３ｉを冷媒の往路とし、外側流路３ｏを冷媒の復路とする形態（図２）、外側流路３ｏを冷媒の往路とし、内側流路３ｉを冷媒の復路とする形態のいずれも利用できる。この例のように内側流路３ｉを冷媒の往路とすると、フォーマ１１をなす真空断熱管（断熱部５）によって、往路内の冷媒温度を往路の全長に亘って概ね一定に保持し易い。そのため、この例の超電導ケーブル１では、その他端部に位置する復路の入口に低温の冷媒を導入でき、超電導ケーブル１の他端部側から一端部側に向かって超電導導体層１２や、適宜外側導電層１４を効率よく冷却できる。
【００３７】
（断熱部）
断熱部５は、往路及び復路の一方である内側流路３ｉと、他方である外側流路３ｏとの間でケーブルコア１０の構成要素を介した熱伝導を低減する部材である。
【００３８】
断熱部５の構成材料やその厚さは、超電導体や冷媒４の種類、ケーブル長や往復路の合計長、ケーブルコア１０の形状などにもよるが、例えば、酸化物超電導体を備える円筒状のケーブルコア１０であって、液体窒素を冷媒４とし、ケーブル長を３０００ｍ以下程度（往復路の合計長が６０００ｍ以下程度）とする場合には、断熱部５を含めたケーブルコア１０全体の等価熱伝導率κが０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ未満を満たす範囲で選択することが挙げられる。上記等価熱伝導率κが小さいほど上述の熱伝導を低減できて好ましく、上記等価熱伝導率κは０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以下、更に０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ未満、０．００５Ｗ／ｍ・Ｋ以下を満たすことがより好ましい。
【００３９】
ケーブルコア１０の等価熱伝導率κは、ケーブルコア１０を積層円筒構造体と見做して、上述のように超電導導体や冷媒４の種類、ケーブル長などを考慮して、ケーブルコア１０の各構成要素の熱伝導率と、各構成要素の厚さとから算出することが挙げられる。要求される等価熱伝導率（設定値）を満たす断熱部５の熱伝導率と断熱部５の厚さとの関係を予め求めておき、要求される等価熱伝導率を満たす範囲で断熱部５の材料や厚さを選択するとよい。
【００４０】
この例の断熱部５は、上述のようにフォーマ１１を兼ねる真空断熱管である（ここでは真空度１×１０−４Ｐａ以下）。このような真空断熱管からなる断熱部５を備えるケーブルコア１０は、断熱部５を含めたケーブルコア１０全体の等価熱伝導率κを０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ未満、実質的に０Ｗ／ｍ・Ｋとすることができる。
【００４１】
図２を参照して、断熱部５の作用を説明する。
ここでは、ケーブルコア１０は上述の断熱部５を兼ねるフォーマ１１を備え、冷媒流路３のうち内側流路３ｉを往路（Ｇｏ）、外側流路３ｏを復路（Ｒｅｔｕｒｎ）とし、往路の入口及び復路の出口を超電導ケーブル１の一端部（図２では左端部）に設け、往復路の折り返し箇所を他端部（同、右端部）に設ける場合について説明する。図２の下のグラフにおいて、縦軸は冷媒温度（Ｋ）を示し、横軸は、冷媒流路３における往路の入口及び復路の出口からの位置、又は折り返し箇所からの位置（ｍ）を示す。このグラフの原点は、往路の入口及び復路の出口の位置であり、往路の入口及び復路の出口から０ｍの地点を示す。上記グラフにおける右端点の位置は、折り返し箇所の位置であり、往路の入口及び復路の出口から、超電導ケーブル１の長さｘ（ｍ）だけ離れた地点を示す。
【００４２】
冷媒流路３の往路（ここでは内側流路３ｉ）の入口に、所定の温度ｔｇ（Ｋ）に調整された冷媒４が導入されると、この冷媒４は、往路の出口（ここではｘ（ｍ）地点近傍）に至るまでその温度が実質的に維持される。断熱部５によって、内側流路３ｉと外側流路３ｏとの間に存在するケーブルコア１０の構成要素を介した熱伝導を低減できるからである。この例では、断熱部５が真空断熱管であることで、上記熱伝導をより低減し易く、上記グラフに示すように温度上昇が非常に小さい。そのため、冷媒流路３の折り返し箇所では、温度ｔｇ（Ｋ）に近い低温の冷媒４を復路の入口に導入できる。この低温の冷媒４によって、超電導ケーブル１の他端部側から一端部側に向かって、超電導導体層１２（図１）や適宜外側導電層１４（同）を効率よく冷却できる。
【００４３】
復路（ここでは外側流路３ｏ）の出口に向かって復路内を流れる冷媒４は、ケーブル断熱管２を経た侵入熱を受けるなどして徐々に温度上昇する。そして、復路の出口において冷媒４は温度ｔｒ（＞ｔｇ）をとる。この温度ｔｒは、図２のグラフに示すように冷媒流路３内での最高温度である。一方、温度ｔｇは冷媒流路３内での最低温度である。
【００４４】
以上のことから、超電導ケーブル１の一端部において、往路の入口の冷媒温度と復路の出口の冷媒温度とを測定すれば、冷媒流路３の最高温度と最低温度とを精度よく把握でき、最高温度になっても超電導状態を維持できるように温度ｔｇを適切な温度に調整できる。その結果、超電導ケーブル１を備える電力線路を健全に維持できる。また、この場合、超電導ケーブル１の一端部において冷媒温度を測定でき、上記一端部側で一括して冷媒温度を管理できる。
【００４５】
（主な効果）
実施形態１の超電導ケーブル１は、断熱部５を備えることで、上述のように冷媒流路３の冷媒温度を適切に把握できる上に、超電導ケーブル１の一端部側で一括して冷媒温度を管理できるため、冷媒温度を管理し易い。
【００４６】
（変形例）
上述の実施形態１では、内側流路３ｉを冷媒の往路とする場合を説明したが、外側流路３ｏを冷媒の往路とすることができる。この場合、冷媒流路３の温度分布は、往路の入口から往路の出口に向かって徐々に温度上昇して右上がりのグラフを描くと共に、折り返して復路の入口から復路の出口に向かって実質的に一定の温度である直線的なグラフ、又は往路よりも温度上昇量が少ないものの、徐々に温度上昇する左上がりのグラフを描く（後述の図４参照）。
【００４７】
［実施形態２］
実施形態１では、フォーマ１１が断熱部５を兼ねる構成を説明した。実施形態２の超電導ケーブルは、フォーマ１１と断熱部５とを独立して備える（図示せず）。
実施形態２の超電導ケーブルの一例として、フォーマ１１の内側に断熱部５を備える形態（以下、内断熱形態と呼ぶ）が挙げられる。
別例として、フォーマ１１の外側、特にフォーマ１１と超電導導体層１２との間に断熱部５を備える形態（以下、外断熱形態と呼ぶ）が挙げられる。
【００４８】
上述の内断熱形態及び外断熱形態のいずれも、フォーマ１１は、例えば実施形態１で説明したコルゲート管などの冷媒４を液密に保持可能な中空管とし、この中空管の内側又は外側に断熱部５を設けることが挙げられる。フォーマ１１をコルゲート管からなるものとすると、上述のように可撓性に優れ、曲げなどを行い易いケーブルコア１０とすることができる。
【００４９】
上述の内断熱形態及び外断熱形態のいずれも、断熱部５は、上述のようにケーブルコア１０全体の等価熱伝導率κが例えば０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ以下を満たすように形成することが挙げられる。
【００５０】
実施形態２の超電導ケーブルは、断熱部５を備えるため、実施形態１と同様に、超電導ケーブル１の一端部において一括して冷媒温度を管理でき、冷媒温度を管理し易い。特に、実施形態２の超電導ケーブルは、フォーマ１１を一重のコルゲート管などとすることができ、二重管とする場合に比較して、曲げなどがより行い易いケーブルコア１０にし易い。その他、内断熱形態では、断熱部５の内周面を平滑な面に形成すると、コルゲート管などの凹凸を低減して、冷媒４の流通性を高められる。外断熱形態では、断熱部５の外周面を平滑な面に形成すると、超電導導体層１２を形成し易く、断熱部５が上述の介在層を兼ねることができる。
【００５１】
［実施形態３］
実施形態１，２では、フォーマ１１自体又はフォーマ１１の内外に断熱部５を備える構成を説明した。実施形態３の超電導ケーブルは、ケーブルコア１０において超電導導体層１２の外周に断熱部５を備える（図示せず）。
実施形態３の超電導ケーブルの一例として、保護層１５の外周に断熱部５を備える形態が挙げられる。
別例として、保護層１５が断熱部５を兼ねる形態が挙げられる。
【００５２】
上述のいずれの形態も、フォーマ１１は、内側流路３ｉを流通する冷媒４によって超電導導体層１２、適宜外側導電層１４に備えられる超電導体を冷却可能な構造であることが挙げられる。例えば、フォーマ１１は、その内外に冷媒４が通過可能な開口部を有する構造のもの、例えば、スパイラル帯材からなるもの、貫通孔が設けられた孔開き管からなるものなどが挙げられる。このようなフォーマ１１を通過した冷媒４によって、超電導導体層１２などを直接冷却できる。
【００５３】
上述のいずれの形態も、断熱部５は、例えば、外側流路３ｏ側から内側流路３ｉ側への冷媒４の通過を防止するために、液密に保持可能な材料からなり、上述のようにケーブルコア１０全体の等価熱伝導率κが例えば０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ以下を満たすように形成することが挙げられる。その他、断熱部５は、真空断熱構造を備えるものとすることが挙げられる。
【００５４】
実施形態３の超電導ケーブルは、断熱部５を備えるため、実施形態１，２と同様に、超電導ケーブル１の一端部において一括して冷媒温度を管理でき、冷媒温度を管理し易い。特に、実施形態３の超電導ケーブルにおいて断熱部５が保護層１５を兼ねる場合には、断熱部５の具備によるケーブルコア１０の大径化を低減できると期待される。
【００５５】
［試験例１］
フォーマの内部空間及びケーブル断熱管の内部空間のうち、一方の内部空間を冷媒の往路とし、他方の内部空間を冷媒の復路とする冷媒流路を備える超電導ケーブルについて、ケーブルコア全体の等価熱伝導率を異ならせて、冷媒流路の各位置における冷媒の温度分布を演算によって求めた。その結果を図３、図４に示す。
【００５６】
ここでは、超電導ケーブルの一端部に冷媒流路の往路の入口及び復路の出口を設け、超電導ケーブルの他端部に往路の出口及び復路の入口の接続箇所、即ち折り返し箇所を設けるものとする。図３，図４のグラフは、以下のような繰り返し計算によって求める。以下の演算には、技術計算言語などによるプログラムや、適宜なソフトウェアを利用できる。
【００５７】
［温度分布の算出］
（１）超電導ケーブルをその長手方向に平行な平面で切断した縦断面をとり、この縦断面を複数の格子領域からなるメッシュに区画する。複数の格子領域のうち、内側流路に配置される格子領域、外側流路に配置される格子領域をそれぞれ、温度算出点とする。内側流路内の冷媒温度分布の初期値Ｔ０ｉと、外側流路内の冷媒温度分布の初期値Ｔ０ｏを求める。ここでは、内側流路と外側流路との間での熱伝導が無い場合（侵入熱は許容する）について、往路の入口及び復路の出口にそれぞれ配置される温度測定点の温度を設定し（例、往路の入口温度を７０Ｋ、復路の出口温度を７７Ｋ）、往路の入口から折り返し箇所を経て復路の出口に向かって各温度測定点の温度を求める。この算出結果を温度分布の初期値として用いる。
【００５８】
（２）上述の（１）の温度分布に基づいて、内側流路及び外側流路への侵入熱及び両流路間の熱伝導を考慮した熱伝導方程式により、各温度算出点の温度を算出して、温度分布を求める。
以下に、内側流路及び外側流路において、超電導ケーブルの長手方向に並ぶ格子領域（温度算出点）のうち、内側流路について入口からｋ番目の冷媒温度Ｔｉｋ、及び外側流路について入口からｋ番目の冷媒温度Ｔｏｋの計算式を示す。
以下の計算式において、ｒｉ、ｒｏはそれぞれケーブルコアの内径、外径、Ｑｉ、Ｑｏはそれぞれ内側流路への侵入熱、外側流路への侵入熱、λはケーブルコアの等価熱伝導率、ｌは格子領域の長さ、ｑは冷媒（ここでは液体窒素）の流量、ｃは冷媒（同）の比熱である。
内側流路を往路、外側流路を復路とする場合には、以下の計算式に示すように内側流路についてはｋ−１番目の値を、外側流路はｋ＋１番目の値を用いて、ｋ番目の値を算出する。内側流路を復路、外側流路を往路とする場合には、上記とは逆に、内側流路はｋ＋１番目の値を、外側流路はｋ−１番目の値を用いて、ｋ番目の値を算出する。
【００５９】
【数１】
2019036441.tif 000003
【００６０】
（３）上述の（２）で求めた温度分布を新たな初期値とし、上記（２）の温度分布の計算を繰り返す。
（４）上述（３）の繰り返し計算に基づいて、収束性を確認し、最終的な温度分布を導出する。具体的には、上述の（３）の初期値と、繰り返して求めた温度分布の計算値とが一致したら、繰り返し計算を終了する。
【００６１】
図３は、フォーマの内部空間を冷媒の往路（Ｇｏ、細線）、ケーブル断熱管の内部空間を冷媒の復路（Ｒｅｔｕｒｎ、太線）とした場合の温度分布を示すグラフである。
図４は、フォーマの内部空間を冷媒の復路（Ｒｅｔｕｒｎ、太線）、ケーブル断熱管の内部空間を冷媒の往路（Ｇｏ、細線）とした場合の温度分布を示すグラフである。
図３，図４のいずれのグラフも、横軸は流路の位置（ｍ）、縦軸は冷媒温度（Ｋ）を示す。流路の位置（ｍ）とは、往路の入口位置及び復路の出口位置を基準位置（０ｍ）とし、この基準位置からの距離を示す。この例では、折り返し箇所の位置は、基準位置から２７００ｍの地点である。
【００６２】
ここでは、上述の冷媒流路をなす往路と復路との間を仕切る断熱部を有さないケーブルコアと、上記断熱部を有するケーブルコアであって、ケーブルコア全体の等価熱伝導率が異なるものとを検討した。各ケーブルコアは、断熱部の有無及び断熱部の仕様を除き、その他の構成は、実質的に同様とする。
【００６３】
断熱部を有さないケーブルコアは、その全体の等価熱伝導率を０．０６Ｗ／ｍ・Ｋとする（図３，図４ではκ＝０．０６と示す、一点鎖線のグラフ）。この等価熱伝導率は、積層円筒構造体の熱伝導率とし、積層数がｎである場合の等価熱伝導率λａを以下の計算式により求める。以下の計算式において、λｋはｋ層目の物質の熱伝導率、ｒｋ＋１、ｒｋはそれぞれ、ｋ層目の物質の外径及び内径、ｒｎはケーブルコアの最外径、ｒ１はケーブルコアの最内径（フォーマの内径）である。
【００６４】
【数２】
2019036441.tif 000004
【００６５】
（共通条件）
ケーブルコアは、中空のフォーマ、超電導導体層、電気絶縁層、外側導電層、保護層を備えるものとして、以下の表１に示す構成とする。冷媒は、液体窒素とする。表１に示すＰＰＬＰ（登録商標）とは、クラフト紙とポリプロピレン（ＰＰ）などの樹脂とを含む複合紙である。また、表１に示す各構成要素の熱伝導率は、冷媒温度での熱伝導率を仮定した値である。ここでは、三層の超電導導体層を備えると共に、隣り合う超電導導体層間などに電気絶縁層を備える３相同軸型ケーブルを想定している。
【００６６】
【表１】
2019036441.tif 000005
【００６７】
ここでは、断熱部を有するケーブルコアは、断熱部をフォーマ自体又はフォーマ直上に備え、その全体の等価熱伝導率を０．０３Ｗ／ｍ・Ｋとするもの（図３ではκ＝０．０３と示す、点線のグラフ）、０．０２Ｗ／ｍ・Ｋとするもの（図３，図４ではκ＝０．０２と示す、図３では破線のグラフ、図４では点線のグラフ）、０．０１Ｗ／ｍ・Ｋとするもの（図４ではκ＝０．０１と示す、破線のグラフ）、０Ｗ／ｍ・Ｋとするもの（図３，図４ではκ＝０と示す、実線のグラフ）とする。上記等価熱伝導率が０Ｗ／ｍ・Ｋであるケーブルコアとは、フォーマが真空断熱管を含む場合に相当する（実施形態１参照）。即ち、フォーマ自体が断熱部を有する場合に相当する。
【００６８】
内側流路を往路とする形態について、図３に示すように、ケーブルコアが断熱部を備えていない場合（κ＝０．０６）には、往路の入口から往路の出口に向かって冷媒温度が上昇し（細一点鎖線）、折り返して復路に入ってからも冷媒温度が更に上昇する（太一点鎖線）。折り返し後、基準位置から１８５０ｍぐらいの地点で最高温度をとり、その後、復路の出口に向かって、温度が降下する。ここでは最高温度が液体窒素の沸点である７７Ｋを超える。このことから、断熱部を備えていない場合に、超電導ケーブルの一端部において往路の入口の冷媒温度と復路の出口の冷媒温度とを測定して冷媒温度の管理を行うと、冷媒温度を適切に調整できない可能性がある。ここでは、更に超電導状態を維持できず、クエンチする可能性がある。この例では、ケーブルコア全体の等価熱伝導率κが０．０３Ｗ／ｍ・Ｋである場合、０．０２Ｗ／ｍ・Ｋである場合にはそれぞれ、冷媒の最高温度が７７Ｋ以下であるものの、上記最高温度をとる地点が折り返し後、基準位置から９３０ｍぐらいの地点（太点線）、３０ｍぐらいの地点（太破線）である。これらの場合も、上述のように超電導ケーブルの一端部において冷媒温度の管理を行うと、冷媒温度を適切に調整できない可能性がある。
【００６９】
これに対し、断熱部を備えて、ケーブルコア全体の等価熱伝導率κが０Ｗ／ｍ・Ｋである場合には、往路の入口から往路の出口に向かって冷媒温度が実質的に変化せず（細実線）、折り返して復路の入口から復路の出口に向かって冷媒温度が上昇する（太実線）。即ち、この場合には冷媒の最高温度をとる地点が復路の出口近傍であり、冷媒の最低温度をとる地点が往路の入口近傍である。また、冷媒の最高温度は７７Ｋ以下である。従って、内側流路を往路とする場合には、ケーブルコア全体の等価熱伝導率κが０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ未満、好ましくは０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以下であれば、超電導ケーブルの一端部において往路の入口の冷媒温度と復路の出口の冷媒温度とを測定して、冷媒温度の管理を行うことで、冷媒温度を精度よく把握でき、適切に調整可能である。また、超電導ケーブルの一端部において一括して冷媒温度を管理できるため、冷媒温度を管理し易い。
【００７０】
外側流路を往路とする形態について、図４に示すように、ケーブルコアが断熱部を備えていない場合（κ＝０．０６）には、往路の入口から往路の出口に向かって冷媒温度が上昇し（細一点鎖線）、折り返して復路に入ってからも冷媒温度が更に上昇する（太一点鎖線）。折り返し後、基準位置から２４００ｍぐらいの地点で最高温度をとり、その後、復路の出口に向かって温度が降下する。ここでの最高温度は液体窒素の沸点である７７Ｋを超える。この例では、κ＝０．０２の場合、κ＝０．０１の場合にはそれぞれ、冷媒の最高温度をとる地点が折り返し後、基準位置から１８００ｍぐらいの地点、９３０ｍぐらいの地点であり、その後、復路の出口に向かって温度が降下する（太点線、太破線）。このことから、断熱部を備えていない場合や、ケーブルコア全体の等価熱伝導率κが０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上である場合には、超電導ケーブルの一端部において往路の入口の冷媒温度と復路の出口の冷媒温度とを測定して冷媒温度の管理を行うと、冷媒温度を適切に調整できない可能性がある。
【００７１】
これに対し、断熱部を備えており、ケーブルコア全体の等価熱伝導率κが０Ｗ／ｍ・Ｋである場合には、往路の入口から往路の出口に向かって冷媒温度が上昇し（細実線）、折り返して復路の入口から復路の出口に向かっては冷媒温度が実質的に変化しない（太実線）。即ち、この場合には冷媒の最高温度をとる地点が往路の出口近傍であり、復路の出口近傍でもあり、この最高温度は７７Ｋ以下である。また、冷媒の最低温度をとる地点は往路の入口である。従って、外側流路を往路とする場合には、ケーブルコア全体の等価熱伝導率κが０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ未満、好ましくは０Ｗ／ｍ・Ｋであれば、超電導ケーブルの一端部において往路の入口の冷媒温度と復路の出口の冷媒温度とを測定して、冷媒温度の管理を行うことで、冷媒温度を精度よく測定できて適切に調整可能である。また、超電導ケーブルの一端部において一括して管理できて、冷媒温度を管理し易い。
【００７２】
以上の試験結果から、フォーマの内部空間とケーブル断熱管の内部空間とを往復路とする冷媒流路を備える超電導ケーブルについて、往路と復路との間を仕切る断熱部を備えることで、好ましくはケーブルコア全体の等価熱伝導率κが上述の適切な範囲を満たすことで、冷媒温度を精度よく把握できつつ、冷媒温度を管理し易いことが示された。
【００７３】
本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、上述の低温絶縁型の超電導ケーブルに代えて、電気絶縁層が液体窒素などの冷媒に含浸されない常温絶縁型の超電導ケーブルに適用することができる。常温絶縁型の超電導ケーブルでは、フォーマと超電導導体層とを備え、電気絶縁層を備えていない導体部をケーブル断熱管に収納する。このケーブル断熱管の上に電気絶縁層が設けられる。
常温絶縁型の超電導ケーブルの一例として、内側から順に、内側流路→フォーマ→断熱部→超電導導体層→外側流路→ケーブル断熱管→電気絶縁層などと配置することが挙げられる。このフォーマは、上述のように断熱部を兼ねてもよい。
別例として、内側から順に、内側流路→フォーマ→超電導導体層→断熱部→外側流路→ケーブル断熱管→電気絶縁層などと配置することが挙げられる。このフォーマは、上述のようにスパイラル帯材などが挙げられる。
又は、上述の単心ケーブルに代えて、複数のケーブルコアを一つのケーブル断熱管に備える多心超電導ケーブルに適用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１  超電導ケーブル
１０  ケーブルコア
１１  フォーマ
１１ｉ  内管
１１ｏ  外管
１２  超電導導体層
１３  電気絶縁層
１４  外側導電層
１５  保護層
２  ケーブル断熱管
２ｉ  内管
２ｏ  外管
３  冷媒流路
３ｉ  内側流路
３ｏ  外側流路
４  冷媒
５  断熱部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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