(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体が断熱管内に収納された高温超電導ケーブルであって、
前記導体は複数の導体素線を撚り合わせて構成され、
各導体素線は複数の超電導線材を巻回してなり、
絶縁層が前記複数の導体素線を一括して形成されていることを特徴とする高温超電導ケーブル。
【請求項２】
前記導体は冷却時の収縮量の吸収機構を具えることを特徴とする請求項1に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項３】
前記吸収機構は、導体素線の撚り合わせに弛みを持たせたことを特徴とする請求項２に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項４】
前記吸収機構は、各導体素線の中心にスペーサーを介在させることを特徴とする請求項２に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項５】
前記導体がフレキシブル管に収納され、フレキシブル管の外側に絶縁層が配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高温超電導ケーブル。
【請求項６】
フレキシブル管が導体を気密に収納する金属管であることを特徴とする請求項５に記載の高温超電導ケーブル。
【請求項７】
フレキシブル管内にヘリウムガスが充填されることを特徴とする請求項６に記載の高温超電導ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温超電導ケーブルに関するものである。特に、直流ケーブルに最適な超電導ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の交流超電導ケーブルとして、3心一括超電導ケーブルが知られている。このケーブルは、断熱管内に撚り合わせた3心のケーブルコアを収納したものである。各ケーブルコアは、交流送電での単相の電流を流す単位線状体であり、中心から順にフォーマ、超電導導体、絶縁層、シールド層を具えている。一般に、フォーマ内ならびに断熱管とケーブルコアとの間に形成される空間は冷媒流路となる。このため、超電導導体は冷媒中に浸漬された状態になっている。また、超電導導体は超電導線材を多層に撚り合わせて構成され、各層のインピーダンスを均一にして電流が均一に流れるように、スパイラルピッチおよび巻回方向を調整する。シールド層も超電導線材を用いて超電導導体と同様の構成が利用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のケーブル構造には、次のような問題があった。
▲１▼冷却時のケーブルコアの収縮対策が必要である。
コアそのものの収縮代を確保するために、3心撚りコアをあらかじめ弛ませたり、あるいは撚り合わせの中心にスペーサーを介在させる等の対策が必要である。ところが、これらの対策によって3心撚りケーブルコアの外径が大きくなる問題がある。また、これらの対策は単心ケーブルでは適用できない。一方、コアを弛ませない場合、冷却時に超電導線に引張り応力が生じ、この応力に耐える線材を用いる必要がある。
【０００４】
▲２▼超電導線材が冷媒に浸漬される場合、超電導線材としての性能低下を生じることがある。
一般に、酸化物系超電導材料を銀シース材で覆った超電導線材には、製造時に形成される微小な孔が存在する。超電導線材が液体窒素などの冷媒に浸漬された場合、この微小な孔から冷媒が超電導線材内に浸入する。その状態で急激な温度上昇が生じると、冷媒の急激なガス化が起こり、線材内の圧力が上昇して超電導線材に膨れが生じ、臨界電流値の低下など、超電導線材としての性能が低下する場合がある。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、絶縁層とは独立に導体構造自体で熱収縮の吸収が可能な高温超電導ケーブルを提供することにある。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、単心ケーブルでも熱収縮の吸収が可能な高温超電導ケーブルを提供することにある。
【０００７】
さらに、本発明の別の目的は、超電導導体が冷媒に浸漬されない構造の高温超電導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】
本発明は、導体単独で撚り合わせ構造とすることで上記の目的を達成する。
【０００９】
すなわち、本発明高温超電導ケーブルは、導体の外側に絶縁層を有する高温超電導ケーブルであって、前記導体は複数の導体素線を撚り合わせて構成され、各導体素線は複数の超電導線材を巻回してなり、前記絶縁層は複数の導体素線を一括して形成されていることを特徴とする。
【００１０】
導体自身を撚り合わせ構造とすることで、導体自体に熱収縮の吸収構造を持たせることができる。従来、熱収縮分の吸収はケーブルコアの撚り合わせを調整して行っていたが、各ケーブルコアは絶縁層を具えて径が大きいため長ピッチでしか撚り合わせることができない。本発明ケーブルを構成する導体素線の各々は絶縁層を持たずケーブルコアよりもはるかに径が小さいため、短ピッチで撚り合わせでき、熱収縮代の確保が容易になる。
【００１１】
導体素線は、基本的には絶縁材料を介することなく撚り合わせれば良い。ただし、各導体素線に絶縁紙を数枚巻回するなどの方法で、導体素線間の素線絶縁をしたり、クッション性をもたせる等の効果を得ることもできる。本発明ケーブルでは、複数の導体素線を一括する絶縁層を有するため、前記素線絶縁が導体素線にかかる電圧に対して耐電圧特性を具えていなくても良い。
【００１２】
このように、本発明ケーブルでは、各導体素線が撚り合わさった状態で導体を構成するため、各導体素線間が電気的に接続されても構わない。つまり、各導体素線が同電位となる。そのため、交流ケーブルに用いる場合、各導体素線には同相の電流が流される。直流ケーブルに用いる場合、各導体素線には同極の電流が流される。
【００１３】
超電導線材を巻回した導体素線は、中実または中空のフォーマの上にテープ状超電導線材をらせん状に巻き付けたものが挙げられる。中空のフォーマの場合、その内部は冷媒の流路となる。テープ状超電導線材は、ビスマス系超電導体などの酸化物高温超電導体を銀シースで被覆した材料が好適である。超電導線材の巻き付けは、全積層数を偶数層とし、各層ごとに巻き付け方向を逆にして巻き付けることが好ましい。その際、巻き付け方向の異なる少なくとも１組のペア、例えば巻き付け方向の異なるペア毎あるいは各層毎の超電導線材の巻き付けピッチを同じとする。この導体構造により、外部に生じる磁界を相殺し、外部に磁束が漏れることを防止することができる。
【００１４】
吸収構造としては、例えば、導体自体をスネーク状に配置したり、各導体素線の撚り合わせに弛みを持たせたり、各導体素線の間にスペーサを配置することにより、熱収縮を吸収させることが挙げられる。これにより、絶縁層をも含む大型のケーブルコアの撚り合わせで熱収縮構造を構成する必要がなく、ケーブルの大径化を抑制することができる。
【００１５】
導体自体をスネーク状に配置する構成としては、特開平1-309212号公報に示すように、フレキシブル管の内部に突部を形成し、このフレキシブル管内に導体を挿入してスネーク状に収納することが挙げられる。
【００１６】
また、導体自体をスネーク状に配置したり、各導体素線の撚り合わせに弛みを持たせる構成としては、特開平9-134624号公報に示す技術もある。これは、導体をフレキシブル管内に収納し、この管内に冷媒を供給して導体を収縮させる。このとき、フレキシブルの一端から他端まで導体がほぼ直線状になるように配置し、フレキシブル管の両端部をキャップで覆う。その後、このフレキシブル管を昇温するとフレキシブル管内で導体がスネーク状に蛇行される。
【００１７】
各導体素線の撚り合わせに弛みを持たせる構成としては、特開2001-67950号公報に記載の技術がある。これは、複数の導体素線を撚り合わされた導体の外周をフレキシブル管で覆う工程を具え、この被覆形成工程またはそれより下流工程の進行速度を導体の供給速度以下として、導体素線の撚りに冷却時の熱収縮分を吸収できる弛みを生じさせるものである。
【００１８】
より具体的には、次の２通りが挙げられる。
▲１▼フレキシブル管形成速度を導体の供給速度以下として、導体素線の撚りに冷却時の熱収縮分を吸収できる弛みを生じさせる。
▲２▼さらにフレキシブル管をコルゲート成形する工程を具え、コルゲート成形速度を導体の供給速度以下として、導体素線の撚りに冷却時の熱収縮分を吸収できる弛みを生じさせる。
【００１９】
その他、各導体素線間にスペーサを介在させる技術としては、特開平9-134620号公報に記載の技術がある。これは、各導体素線の中心に熱収縮量の大きいスペーサを介在させ、常温時は径の大きいスペーサにより各導体素線が弛みを持って撚り合わされた状態に保持され、冷却時はスペーサの外径が収縮することによって各導体素線の撚りが締まり、熱収縮分を吸収する。
【００２０】
本発明超電導ケーブルは、導体自体で撚り合わせ構造としているため、単心ケーブルにも適用できる。従来、単心ケーブルでは撚り合わせ構造により熱収縮を吸収することができなかったが、本発明では導体自身で撚り合わせ構造をもつため、確実な熱収縮の吸収が実現できる。もちろん、多心ケーブルに構成することもできる。
【００２１】
このような導体は、フレキシブル管に収納し、フレキシブル管の外側に絶縁層を設けることが好ましい。つまり、導体素線の各々に絶縁層を設けるのではなく、導体素線を撚り合わせた導体をフレキシブル管に収納して、その外周に絶縁層を形成する。特に、フレキシブル管で導体を気密に収納した場合、冷媒はフレキシブル管の外側を流通するため、導体は冷媒に接することがなく、超電導線材が冷媒を含浸して膨張することに伴う劣化を抑制することができる。フレキシブル管内に充填するガスとしては、ヘリウムガスなどが好ましい。冷媒として液体窒素を用いた場合、フォーマ内とフレキシブル管の外側に冷媒が中通されるが、ヘリウムは液体窒素温度でも液化しないためである。なお、パイプ状のフォーマを用いた場合はフォーマ内に冷媒を流通させることが可能となる。この場合も同様の効果が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
ここでは、３心一括型の直流用超電導ケーブルを例として説明する。図１は本発明超電導ケーブルの断面図、図２は導体の概略説明図である。
【００２３】
＜全体構造＞
このケーブルは断熱管10の内部に３心の芯材部20を撚り合わせて収納したものである。
【００２４】
[断熱管]
断熱管10は内管11および外管12を具える２重管からなり、内外管11、12の間に真空断熱層13が構成される。真空断熱層内には、プラスチック製網状体と金属箔を積層したいわゆるスーパーインシュレーションが配置されている。内管11の内側と芯材部20との間に形成される空間は冷媒流路となる。また、必要に応じて、断熱管の外周にポリ塩化ビニルなどで防食層を形成しても良い。
【００２５】
[芯材部]
この断熱管内に収納される芯材部20は、導体21と、導体21を収納するフレキシブル管25と、フレキシブル管25の外周に形成された絶縁層29と、絶縁層29の外周に形成される遮蔽層30を具える。
【００２６】
＜導体＞
まず、導体21は３芯の導体素線22を撚り合わせた構造である。各導体素線22は、中心にフォーマを具え、その外周に超電導線材を多層に巻回して構成される。一般に、フォーマには撚り線または金属パイプが用いられる。ここでは複数の銅素線を撚り合わせたものを用いた。パイプを用いた場合、その内部を冷媒流路にできる。また、超電導線材は、ビスマス系超電導体などの酸化物高温超電導体を銀シースで被覆したテープ線材を用いる。このテープ線材はフォーマ上に多層に巻かれる。ここでは、全積層数を偶数層とし、各層のテープ線材の巻き付けピッチを同じとし、各層ごとに巻き付け方向を逆にして巻き付けている。この導体素線構造により、外部に発生する磁界をキャンセルすることができる。
【００２７】
このように導体21は、図2（A）に示すように、冷却時の収縮分を吸収できるように、予め弛みをとって導体素線を撚り合わせることで構成される。冷却時、各導体素線22が収縮すると、弛みがほぼなくなる程度に撚りが締まることで収縮量を吸収し、導体素線自体に過大な張力がかかることを防止する。
【００２８】
弛みを持って導体素線22を撚り合わせる代わりに、図2（B）に示すように、各導体素線の中心にスペーサ23を介在して撚り合わせを行っても良い。常温時、スペーサ23により、各導体素線22は弛みを持った状態と同様な撚り合わせ状態に保持されている。冷却時、各導体素線22は収縮するがスペーサ23も収縮し、スペーサ23の外径が小さくなることに伴って導体素線22の撚りも締まって熱収縮量を吸収する。
【００２９】
従来、ケーブルコアの許容曲げ径で撚りピッチが制約され、収縮前後に要求されるコア撚り外径の差が大きくなり、収縮前のコア撚り外径が大きくなると共に、ケーブル外径が大きくなっていた。本発明では、コアに比べて径の小さい導体素線22を用いることで短ピッチの撚り合わせができ、熱収縮分の吸収代を容易に確保することができる。特に、超電導線材の細線化が進めば導体素線を撚り合わせた導体の外径を一層小さくでき、ケーブル全体の外径を小さくすることも期待される。
【００３０】
＜フレキシブル管＞
このように撚り合わされた導体素線はフレキシブル管25内に気密に収納されている。導体素線22をフレキシブル管25内に気密に収納することで、超電導線材は全く冷媒に接触しないため、冷媒が超電導線材に含浸されて線材の膨張が起こり、超電導特性が劣化することを防止できる。
【００３１】
フレキシブル管25はケーブルとしての可撓性が得られるものであればストレート管でもコルゲート管でも良いが、通常は可撓性に優れるコルゲート管が好ましい。材質はステンレス、銅、アルミニウムなどの金属管が好ましい。
【００３２】
フレキシブル管25内に充填されるガスとしては、超電導線材の冷媒温度でも液化しないガスが好ましい。例えば、冷媒に液体窒素を用いる場合、フレキシブル管内に充填されるガスはヘリウムガスが好適である。
【００３３】
＜絶縁層＞
このようなフレキシブル管25の外周には絶縁層29が形成される。つまり、本発明ケーブルの芯材部20では、各導体素線22ごとに絶縁層が形成されているのではなく、導体素線22を一括収納するフレキシブル管25の外側に絶縁層を29形成している。そのため、温度変化に伴って、導体素線22の撚り合わせの締まり具合を絶縁層29とは独立して変化させることができる。この絶縁層29はクラフト紙や、半合成絶縁紙（例えば住友電気工業株式会社製PPLP：登録商標）を巻回して構成すれば良い。
【００３４】
＜遮蔽層＞
従来のケーブルコアでは、絶縁層の外側に超電導線材を巻回してシールド層を形成し、このシールド層に超電導導体と同じ電流を逆向きに流すことで外部への磁界の発生をキャンセルしている。本発明ケーブルでは、前述したように導体自体における超電導線材の巻き付け構造で外部磁界の発生をキャンセルしており、超電導線材を用いたシールド層を設ける必要はない。ただし、絶縁層29の外周に接地の役目としての遮蔽層30を設けることが好ましい。
【００３５】
なお、直流双極送電を行う場合、２心構造としたり、中性線を入れた３心構造としても良い。中性線を他心と同一構造とすれば予備としても利用できる。
【００３６】
（実施例２）
次に、本発明直流単心ケーブルについて説明する。図３はこの単心ケーブルの断面図である。図１と同一部分については同一符号を付している。
【００３７】
この単心ケーブルは、断熱管10内に収納される芯材部20の本数が１本になった点を除いて実施例１と同様の構成である。つまり、芯材部20自体は単心だが、芯材部内の導体21が撚り構造になっており、この撚り合わせに弛みを持たせたり、スペーサを介在させることで熱収縮分を吸収することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明超電導ケーブルによれば、ケーブルコア同士の撚りが締まることで熱収縮分の吸収を行うのではなく、導体自体を撚り構造にし、導体の撚り合わせが締まることで熱収縮分の吸収を行うことができる。
【００３９】
また、導体をフレキシブル管内に気密に収納することで超電導線材と冷媒を非接触に保持でき、超電導線材に冷媒が含浸することに伴う超電導特性の劣化も防止できる。
【００４０】
従って、単心ケーブルにおいても十分な熱収縮構造を採ることができ、大容量の直流超電導ケーブルなどでの利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】３心一括構造の本発明超電導ケーブルの断面図である。
【図２】導体の概略構造を示す説明図で、（A）は弛みを持った撚りあわせ、（B）はスペーサを介在させた撚り合わせを示している。
【図３】単心構造の本発明超電導ケーブルの断面図である。
【符号の説明】
10  断熱管
11  内管
12  外管
13  真空断熱層
20  芯材部
21  導体
22  導体素線
23  スペーサ
25  フレキシブル管
29  絶縁層
30  遮蔽層
【図１】
0003877057.tif 000002
【図２】
0003877057.tif 000003
【図３】
0003877057.tif 000004