(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペーサと、
スペーサを中心として、その外周に撚り合わされる３心の超電導ケーブルコアとを具え、
前記スペーサは、
内部にガスが充填されたチューブと、
このチューブの外周に素線をらせん状に巻き付けて各ターンの間に間隔を設けた中空巻き線とから構成されることを特徴とする超電導ケーブル。
【請求項２】
スペーサと、
スペーサを中心として、その外周に撚り合わされる３心の超電導ケーブルコアとを具え、
前記スペーサは、
内部にガスが充填されたチューブと、
このチューブの外周にて素線を織った中空編組体とから構成されることを特徴とする超電導ケーブル。
【請求項３】
前記チューブ内のガス圧力が調整自在に構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導ケーブル。
【請求項４】
前記チューブが複数に分割されたガス室を具えることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導ケーブルと、それに最適なケーブル用スペーサに関するものである。特に、３心の超電導ケーブルコアの熱収縮を撚り合せの弛みにより吸収できる超電導ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導ケーブルは、布設後に液体窒素などの冷媒をケーブル内に流して冷却される。その際、ケーブル最外層は常温で、ケーブルの内部は約−200℃となり、ケーブル内外の温度差は200℃以上となる。そのときにケーブル構成材料である金属は約0.3％収縮し、具体的にはケーブル100ｍごとに30cm程度の熱収縮を生じる。通常、ケーブルの両端部は中間接続部や終端接続部で固定されるため、撚り合わせたケーブルコアが収縮すると撚りが締まり、ケーブルは軸方向の応力と共に側圧を受け、機械応力に対して性能劣化の大きい超電導導体がダメージを受ける。そのため、この熱収縮を吸収する機構が必要となる。
【０００３】
従来、このような熱収縮に対応する技術として、特開平9-134620号公報に記載のものが知られている。これは、３心のケーブルコアの中心に熱収縮率の大きい介在物を挿入して撚り合わせ、介在物の熱収縮により３心ケーブルコアの撚り合わせ径を変化させて熱収縮を吸収するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の技術ではケーブルコアに複合する介在物として、ケーブルコアの収縮を吸収できるような大きい熱収縮率を有する材料を選択しなければならず、この材料選択が困難であるという問題があった。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、ケーブルコアに複合する介在物材料自体の熱収縮率に関わらずケーブルコアの熱収縮を吸収することができる超電導ケーブルと、それに最適なスペーサとを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、３心のコアの中心にスペーサを介在し、スペーサの構成材料自体の収縮に加えて、スペーサの形態を変化させ、冷却時の縮径程度を大きくすることで上記の目的を達成する。
【０００７】
すなわち、本発明超電導ケーブルは、スペーサと、スペーサを中心として、その外周に撚り合わされた３心の超電導ケーブルコアとを具えている。そして、スペーサは、内部にガスが封入されたチューブと、このチューブの外周にて複数の素線より構成される中空体とを具えることを特徴とする。この中空体には、素線を間隔を開けて撚り合わせた中空巻き線や、素線を織った中空編組体が挙げられる。
【０００８】
特開平9-134620号公報は、介在物（スペーサ）に必要とされる熱収縮量について試算例を示している。これによれば、介在物を常温から液体窒素温度に冷却した際の熱収縮量は約60％となっている。このような大きな熱収縮量を有する材料の選択は、非常に困難である。
【０００９】
本発明では、スペーサの構成材料自体の収縮に伴ってスペーサの形態を変化させ、この形態変化分をも利用することで、スペーサの直径を大きく縮小させている。スペーサの直径を冷却時に大幅に小さくできれば、３心ケーブルコアの冷却に伴う熱収縮量を吸収して、ケーブルコアの超電導導体に機械的外圧が作用することを防止できる。このスペーサの径変化は、冷却すれば小さくなり、常温に戻せば大きくなる可逆的変化であることが好ましい。
【００１０】
大幅な径の変化を実現するため、本発明ではガスが封止されたチューブを用いる。冷却に伴いケーブル収縮時、各コアの撚りが締まると共にチューブ内のガス体積が縮小し、チューブの径が小さくなる。それに伴ってチューブの外周に配置された中空巻き線または中空編組体も各コアに押圧されて変形し、大きな熱収縮量を得ることができる。
【００１１】
（中空巻き線）
チューブの外周に素線を撚り合わせ、常温時に隣接するターンの間に間隔を設けた中空巻き線を用いる。
【００１２】
このような中空巻き線は、チューブの外周に配置されているため、スペーサの外周に３心のケーブルコアを撚り合わせる常温時には各コアの圧力により中空巻き線が変形することを防止でき、中空巻き線としての形状を維持することができる。
【００１３】
一方、冷却時は、素線をコイル状により合わせて隣接するターンの間に間隔を設けているため、撚りが締まって素線の間隔が狭くなる。これにより、素線材料自体の熱収縮量に加えて、コイル自体の形状変形をも利用して、常温時よりも大幅に直径を小さくすることができる。
【００１４】
素線の撚りピッチは、冷却時にスペーサの径変化を大きくできるよう、常温時のスペーサの直径に対して十分大きく採ることが好ましい。例えば、素線の撚りピッチは常温時のスペーサの直径の20倍以上程度が好適である。ただし、ピッチが大きすぎるとスペーサは外周からの圧縮に弱く、変形しやすくなるので、これらの要素を考慮してコアの熱収縮量を吸収できる極力短い素線ピッチを選択すれば良い。また、コイル状に形成したスペーサは、その両端で各素線を固定しておくことで長手方向の移動を抑制し、冷却時に大きな径変化を与えることができる。
【００１５】
コイル状に形成した各素線の同士の間隔は、冷却時にケーブルコアの熱収縮量を吸収できる程度に大きな径変化が得られる値を選択する。素線の本数や間隔ｔは、コアの熱収縮量を考慮して適宜選択すれば良い。すなわち、冷却時、コアが熱収縮量して撚りが締まった状態になったとき、スペーサの撚りも同様に締まって隣接する素線の間隔が閉じられる程度となるように本数や間隔ｔを選択する。素線の本数は複数でも単数でも良い。素線の断面形状は特に限定されないが、一般に円形の線材が好適である。
【００１６】
前記素線の撚り合わせは、チューブの外周に単層に行っても多層に行ってもいずれでも良い。多層に撚り合わせを行えば、スペーサの形状維持が行いやすい。特に、多層にした場合、隣接する層の撚りピッチが互いに異なるように構成すれば、一層保形効果に優れる。また、隣接する層の撚りピッチが同じで撚り方向を逆としても同様の保形効果が得られる。
【００１７】
（中空編組体）
中空巻き線の代わりに、中空編組体を用いても良い。この編組体は、チューブの外周にて素線を織った中空体である。
【００１８】
この中空編組体も、チューブの外周に配置されているため、スペーサの外周に３心のケーブルコアを撚り合わせる常温時には各コアの圧力により中空編組体が変形することを防止でき、中空編組体としての形状を維持することができる。
【００１９】
一方、冷却時は、中空編組体自体が３心のコアに３方から押圧されて変形する。これにより、素線材料自体の熱収縮量に加えて、中空編組体自体の形状変形をも利用して、常温時よりも大幅に直径を小さくすることができる。
【００２０】
この中空体は、単独の素線を縦糸・横糸として織る場合はもちろん、複数の素線を並列し、この並列単位を縦糸・横糸として織る場合でも構わない。また、隣接する縦糸同士または横糸同士に隙間を持たせて織った中空体は、冷却時に素線間の隙間が狭くなることでより大きな縮径効果が得られる。中空体の織り方は、平織り、綾織、繻子織などが挙げられる。用いる素線としては、断面が円形の線状体でも良いが、テープ状のものも好適である。
【００２１】
上記のスペーサは、撚り線構造、編組構造のいずれであっても、内部にチューブが配置されているため、中空巻き線や中空編組体の形状を維持するために格別の保形手段を用いる必要がない。
【００２２】
（チューブ）
上記中空体はガスが充填されたチューブの外周に配置される。前記中空体、特に中空巻き線は、パイプ形状を維持することが難しい。ガスの充填されたチューブを用いれば、所定の径にチューブを膨らませ、その外周に撚り線や編組による中空体を形成することで、パイプ形状の保持を容易に実現できる。
【００２３】
常温時、径の大きな状態にチューブを膨らませておく。このチューブの外周に中空体を配置しておけば、外圧を受けてチューブ内のガス圧により中空体が変形することはなく、コアの撚り合わせ作業などが支障なく行える。一方、冷却時、チューブ内のガスが大きく体積減少し、チューブの径が小さくなることで中空体の縮径を妨げることがない。
【００２４】
スペーサがチューブだけであればケーブルコアを撚り合わせる際にチューブが変形し、スペーサとしての機能を十分果たせない。一方、剛性材料のみであれば膨らませることができず、冷却時に剛性材料自体の収縮量しか縮径させることが難しい。
【００２５】
ここで用いるチューブは、冷媒温度（液体窒素なら-196℃）で使用可能な材質で構成する。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂などの高分子プラスチックや、エチレンプロピレンゴムなどのゴム材料が好適である。
【００２６】
また、チューブは分割される複数のガス室を具えることが望ましい。複数のガス室を具えていれば、一部のガス室が破れても残りのガス室が健全であればスペーサとしての機能を保持することができる。チューブのガス室の分割は、例えば、チューブの長手方向に適宜な間隔でくびれを設け、ソーセージ状に形成することが挙げられる。
【００２７】
チューブ内に充填されるガスは、チューブが脆くならないように不活性ガスを用いることが好ましい。具体的にはN2、Ar、Ne、Heなどが挙げられる。N2だとケーブル冷却時に液化し、Heであればガスで存在するが、いずれも体積が小さくなるので有効である。その他、チューブに充填されるガスは空気でも良い。
【００２８】
チューブ内のガスは、予め一定圧力に加圧封入してチューブを封止しても良いし、チューブにコンプレッサーなどの加圧装置を接続して、内圧を所定の圧力に制御できるようにしても良い。前者の封止構造では、加圧装置が必要なく、製造管理面が簡素化できる。後者の加圧装置接続構造では、スペーサ形成時のガス圧とコア３心撚り時のガス圧を個別に任意に設定することができる。スペーサ形成時は、撚り線や編組による中空体の成形に対応できるように所定のガス圧に設定し、コア撚り合わせ時は、コアからの側圧に対抗できるようにガス圧を高めることができる。
【００２９】
スペーサの材料は、気体、液体、固体のいずれの適用も考えられる。特開平9-134620号公報の発明では、介在物材料として常温時は気体で、冷却時に液化または固化するガスを例示している。固体材料のみからなるものは、気体や液体を封止する構成が必要ない点で好ましい。気体材料は、冷却に伴う収縮量が大きい点で好ましい。
【００３０】
固体材料の具体例としては、液体窒素などの冷媒中に浸漬されても支障のない金属やプラスチックが挙げられる。
【００３１】
スペーサの製造方法は、チューブを中芯とし、この中芯に複数の素線を間隔を設けて巻き付けたり、中芯の外周に素線を織って中空体を形成することが好ましい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００３３】
（実施例１）
図１は本発明超電導ケーブルの常温時の断面図、図２は同冷却時の断面図である。
【００３４】
このケーブルは、断熱管1内に収納された３心のケーブルコア2を具える。断熱管1は、外管3と内管4との間にスーパーインシュレーション（図示せず）などの断熱材を配置し、両管3、4の間を真空引きして構成される。本例では、断熱管１を二重管構造としたが、断熱管の構造が二重管に限定されるわけではない。
【００３５】
各ケーブルコアは、熱収縮分を吸収できる程度の弛みを持って撚り合わされている。外管3と内管4とはいずれもコルゲート管とした。また、ケーブルコア2は中心から順に、フォーマ5、超電導導体6、絶縁層7、遮蔽層8を具えている。また、遮蔽層８の外側に保護層（図示せず）を設けても良い。フォーマ5が中空の場合、フォーマ5の内部および内管4と各ケーブルコア2との間に形成される空間が冷媒流路となり、フォーマ5が中実の場合、内管4と各ケーブルコア2との間に形成される空間が冷媒流路となる。超電導導体6には、Y系、Bi系などの酸化物超電導体が好適である。絶縁層7の一例としては、冷媒が含浸された紙テープや紙テープとプラスチックテープの複合紙を巻回したものが挙げられる。冷媒には、液体窒素や液体ヘリウム等が利用できる。
【００３６】
そして、前記３心コアの中心にスペーサ10が配置されている。このスペーサ10は、冷却時、コアの撚りが締まることに対応してスペーサ10の外径を大幅に縮小できる構成となっている。すなわち、図３、４に示すように、内部にガスが充填されたチューブ20と、チューブ20の外周にて複数の素線を螺旋状に巻き付けた中空巻き線30とから構成されている。
【００３７】
チューブ20は、冷媒に用いる液体窒素温度でも使用が可能なエチレンプロピレンゴムで構成した。その外径は、常温時、各コアに十分な隙間を設け、スペーサを除去した状態を仮想すると、コア2の撚りに弛みを持たせた状態となる程度としている。本例では、予め所定の圧力にガスを封入したチューブ20を用いた。この所定の圧力は、スペーサ10にコアを撚り合わせる際、スペーサ10が変形しない程度の圧力とした。また、チューブ内に充填するガスにはヘリウムガスを用いた。このチューブ20は、複数のガス室に分割しても良いし、コンプレッサーなどの加圧装置に接続して、内圧を調整できるように構成しても良い。
【００３８】
一方、中空巻き線30は、図３(A)に示すように、常温時、隣接するターンの間に間隔が形成されるようにチューブの外周に巻き付けられている。本例では、断面が円形の金属線を素線31として中空巻き線30を構成した。
【００３９】
図４に示すように、上記のチューブ20の外周に前記の中空巻き線30を形成する。チューブの外周に素線31を巻き付ける際、チューブの内圧により素線31を中空のらせん状に保形して巻回することができる。常温時、スペーサ10の直径d1は大きく、素線同士の間には間隔ｔが設けられた状態にある（図３A)。
【００４０】
また、コア2の撚り合わせ時、チューブ20により内側から中空体12を保持するため、コア2の側圧によってスペーサ10が変形することを抑制できる。
【００４１】
冷却時は、チューブ内のガスが収縮してチューブ20が縮径する。図４において、左側の細い円筒は、チューブ20が収縮して縮径した状態を示している。この縮径に伴って、中空巻き線30も縮径する。その際、素線31自身が縮小すると共に、図３(B)に示すように、中空巻き線30における各ターン間の間隔が狭くなる変形の双方が起こる。この中空巻き線30の材料自体の縮小と各ターン間の間隔が狭くなる変形との併合によって中空巻き線30を縮径し、コア2の撚り合わせを閉じて、熱収縮分を吸収する。つまり、冷却時、コア2の撚りが締まることに伴ってスペーサ10の直径d2も小さくでき、コア2の熱収縮を吸収して超電導導体に応力が作用することを防止する。
【００４２】
（試算例）
どのような形態のスペーサを用いれば、冷却前後でどの程度の径変化が可能かを試算した。
【００４３】
冷却時に0.3％収縮する金属材料で直径14mmのコイル状スペーサを作った場合、素線のピッチを300mmとすると次のようになる。
【００４４】
収縮前の1ピッチの素線長をL1、収縮後の1ピッチの素線長をL2とする。
その場合、L2＝L1×0.997となる。また、L1は√{3002＋(14π)2}で表される。さらに、収縮後のスペーサの直径をXとすると、
L2＝0.997×√{3002＋(14π)2}＝√{3002＋(Xπ)2}
となる。
【００４５】
この式よりXを求めると、X=11.84となり、約15％直径が縮小されることがわかる。
【００４６】
また、ピッチを500mmとして同様の試算を行った。その場合のXは6.6mmであり、収縮前からみれば約半分の直径に収縮できていることがわかる。
【００４７】
さらに、冷却時に0.3％収縮するプラスチック材料でスペーサを構成し、ピッチを200mmとした場合についても同様の試算を行った。その結果、Xは5.3mmとなり、冷却前の直径を半分以下にまで縮小できることがわかる。
【００４８】
（実施例２）
図５はチューブ20と編組体による中空体を用いた本発明スペーサの説明図である。
【００４９】
本例は、中空体が巻き線か編組体であるかを除いて実施例１と同じである。この中空編組体40は、テープ状の鋼帯を素線とし、この鋼帯を縦糸・横糸として円筒状に織ったものをスペーサとしている。また、隣接する縦糸または横糸との間には隙間が形成されるように織られている。図５において、左側の細い円筒は、チューブ20が収縮して縮径した状態を示している。
【００５０】
このスペーサでも、コアの撚り合わせ時、チューブ20により内側から中空編組体40を保持するため、コアの側圧によってスペーサが変形することを抑制できる。つまり、図６(A)に示すように、中空編組体40はチューブ20の外周で円筒状に保形される。この状態でケーブルコア2は、間隔を保ってより合わされている。
【００５１】
一方、冷却時は、チューブ内のガスが収縮してチューブ20が縮径する。それに伴って、３心のコア2により中空編組体40は三方から押圧され、図６(B)に示すように、コア2間に挟まれる三方が突出した形状に変形される。その際、中空編組体40の素線自身が縮小することと、各縦糸と横糸の間隔が閉じられることの併合によっても縮径される。そして、コア2の撚り合わせを閉じて、熱収縮分を吸収することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、３心の撚り合わせた超電導ケーブルコアの中心にスペーサを設け、このスペーサを、冷却時の直径の熱収縮量がスペーサの構成材料自体の熱収縮量よりも大きい構成とすることで冷却時に大幅に直径を縮小でき、コアの熱収縮量を、コアの撚り合わせの締まりにより吸収することができる。
【００５３】
また、内部にガスの充填されたチューブにより中空巻き線あるいは中空編組体を保持することで、コア撚りあわせ時の側圧で中空体が変形することを防止し、スペーサとしての機能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明超電導ケーブルの常温時の断面図である。
【図２】本発明超電導ケーブルの冷却時の断面図である。
【図３】本発明スペーサの中空巻き線の説明図で、(A)は常温時、（B）は冷却時の形状を示している。
【図４】チューブと撚り線による中空体を用いた本発明スペーサの説明図である。
【図５】チューブと編組体による中空体を用いた本発明スペーサの説明図である。
【図６】チューブと編組体による中空体を用いた本発明スペーサの説明図で、(A)は常温時、（B）は冷却時の形状を示している。
【符号の説明】
1  断熱管
2  ケーブルコア
3  外管
4  内管
5  フォーマ
6  超電導導体
7  絶縁層
8  遮蔽層
10  スペーサ
20  チューブ
30  中空巻き線
31  素線
40  中空編組体
【図１】
0003851827.tif 000002
【図２】
0003851827.tif 000003
【図３】
0003851827.tif 000004
【図４】
0003851827.tif 000005
【図５】
0003851827.tif 000006
【図６】
0003851827.tif 000007