JP2001202837A

JP2001202837A - 超電導ケーブル

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Publication number: JP2001202837A
Application number: JP2000011705A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Hirose; 正幸廣瀬; Takahito Masuda; 孝人増田; Takeshi Kato; 武志加藤; Hiroyasu Yumura; 洋康湯村; Michihiko Watabe; 充彦渡部; Makoto Harada; 真原田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2001-07-27
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: JP4487361B2

Abstract

(57)【要約】【課題】超電導導体の送電容量を増加し、かつ冷却シ
ステムを減少できる超電導ケーブルを提供する。【解決手段】ケーブルコア２の内外側に冷媒Ｉ・Ｏが
充填される超電導ケーブル１において、フォーマー３の
内側に充填される冷媒Ｉの使用温度変化幅が、保護層７
の外側に充填される冷媒Ｏの使用温度変化幅よりも大き
い冷媒を用いる。特に、冷媒Ｉには、液体酸素と液体窒
素との混合物を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超電導ケーブルに
関するもので、特に、送電容量を増大できる超電導ケー
ブルに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に超電導ケーブルは、断熱管の内側
に単芯或いは大容量を確保するために複数本撚り合わせ
たケーブルコアを挿入して成る。図１は、超電導ケーブ
ル１において３芯のケーブルコア２の部分断面を示す。
ケーブルコア２は、内側から順にフォーマー３・超電導
導体４・絶縁層５からなり、その上に遮蔽層６・保護層
７をテープなどの巻き付けにより設けている。断熱管８
は、内管・外管の２重の金属管からなり、内管の内側に
上記ケーブルコア２を挿入している。このような超電導
ケーブル１において、フォーマー３の内側と、内管と各
ケーブルコア２との間隙（保護層７の外側）には、各々
冷媒Ｉ・Ｏを流入している。この冷媒Ｉ・Ｏには、液体
窒素が用いられる。なお、窒素は、大気圧において沸点
が約77Ｋ、凝固点が約63Ｋであり、冷媒として使用され
る際の使用温度変化幅は、圧力によって変化するが例え
ば大気圧において約63Ｋ〜77Ｋ程度である。

【０００３】また、液体窒素の冷媒Ｉ・Ｏは、長尺な超
電導ケーブルを常時極低温に保持するために冷凍機や熱
変換機を含めた冷却システムを同ケーブルの長手方向に
一定区間毎に設けている。この冷却システムは、超電導
ケーブル内部からの抵抗による発生熱（ジュール損）や
同外部からの侵入熱により温度が上昇した液体窒素をそ
の使用温度変化幅（冷媒の凝固点から沸点の範囲）内で
温度変化を抑える必要がある。そのため、上記幅内に入
るように冷媒流量・冷却システムの処理熱量・冷却シス
テムの設置区間長が決められている。特に、過負荷時に
おいては発生熱によって液体窒素を気化させないため
に、該当部分付近を集中的に冷却するのに冷媒流量を増
加させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、液体窒素の沸
点が低く凝固点が高いことによって、以下の制約があ
る。冷却システムの設置区間長が、上記使用温度変化幅
に伴って制約される。冷却システムによって冷やされた
液体窒素は、次の冷却システムまで使用温度変化幅内の
温度を保持しておかなければならない。従って、一定数
量の冷却システムが必要であり、一定の送電容量を確保
するためには冷却システムを削減することはできない。
また、使用温度変化幅が小さいと、冷却システムの数量
は、必然的に多くなる。一方、上記冷却システムの設置
数を減らそうとすると、一冷却システムにおける冷媒流
量を多くしなければならない。すると、冷媒を流出する
ポンプ容量を増大させる必要がある。それに伴って、冷
媒を流出する循環ポンプも大型化する必要がある。ここ
で、超電導ケーブルに流動させる液体窒素は、気泡の発
生により絶縁性が低下するのを防止するために飽和蒸気
圧以上に加圧して循環させている。また、冷却システム
間は、通常数kmあり、その間で冷媒を流動させるために
圧送されている。従って、流量を多くするために液体窒
素の送入圧力を増大すると断熱管（特に内側）の耐圧強
度を十分に確保しなければならないが、その強度改善に
も限界がある。特に、過負荷時において冷媒流量を増加
させなければならない。また、冷媒流量を著しく増加さ
せることで上記圧損に伴うロスなどが顕著である。即
ち、冷却システム数を減少させるためには冷媒流量を増
加させなければならないが、循環ポンプの大型化や圧損
等の新たな問題が生じる。

【０００５】送電容量が制限される。超電導ケーブ
ルにおいて電気容量を増大させるには、抵抗を極力小さ
くする必要がある。従って、より低温であることが望ま
れる。そこで、超電導導体をより低温に冷却するため
に、液体窒素ではなく窒素よりも凝固点が低い冷媒とし
て液体酸素が知られている。しかし、ケーブルコアの内
外側に液体酸素を充填させると、絶縁層内で冷媒が気化
して生じた空隙に放電が起こった場合、この放電が火種
となって酸素が爆発する恐れが多分にある。即ち、送電
容量を増大させるためにケーブルコアの内外側に流動さ
せる冷媒として液体酸素が適するが、液体酸素は、部分
放電の際に爆発する恐れが大きいという問題がある。

【０００６】そこで、本発明は、冷却システムが減少で
き、かつ超電導導体をより低温に冷却させることで送電
容量を増加させる超電導ケーブルを提供することを目的
とする。また、放電などに起因する爆発などの危険が殆
ど無い超電導ケーブルを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ケーブルコア
の内外側に冷媒が充填される超電導ケーブルにおいて、
ケーブルコアの内側に充填される冷媒の使用温度変化幅
が、同外側に充填される冷媒の使用温度変化幅よりも大
きいことを特徴とする。即ち、ケーブルコアの内側に充
填される冷媒は、その使用する温度の最大値と最小値と
の差が同外側に充填される冷媒のそれよりも大きい。使
用温度変化幅が大きくなることで、次の冷却システムま
で保持させる温度幅が広がるので冷却システムの設置区
間長をより長くすることが可能であり、冷却システムの
設置数を減少できる。ここで、超電導導体をより低温に
保つために、ケーブルコアの内側に充填される冷媒の温
度は、ケーブルコアの外側に充填される冷媒の温度より
も低いことが好適である。そして、ケーブルコアの内側
に充填される冷媒の使用温度変化幅に、ケーブルコアの
外側に充填される冷媒の使用温度幅が含まれることが好
ましい。即ち、超電導導体に近いケーブルコアの内側に
流動する冷媒の方が、同外側に流動する冷媒よりも低温
にすることで、導体に対する冷媒効率が良くなり導体を
より低温に保持でき、送電容量も増加できる。

【０００８】このとき、従来の冷媒である液体窒素を用
いた場合、使用温度幅は大気圧において約14Ｋ（約63Ｋ
〜77Ｋ）であり、ケーブルコアの内側に流動させる冷媒
の上記幅を同外側よりも大きくすることが難しい。しか
し、ケーブルコアの内側に流動される冷媒は、使用温度
変化幅が大きいだけでなく、特に、範囲の下限である凝
固点が同外側に流動される冷媒よりも低いことが望まし
い。そこで、ケーブルコアの内側に流動させる冷媒は、
同外側に充填させる冷媒の凝固点よりも低い冷媒を用い
ると良い。

【０００９】ここで、凝固点が液体窒素よりも低いもの
として液体酸素がある。そこで、特に、超電導導体を冷
却するためにケーブルコアの内側（フォーマーの内側）
に充填される冷媒は、液体酸素の混合物であることが好
適である。なお、ケーブルコアの外側（保護層の外側）
に充填される冷媒に液体酸素を含有すると、その液体酸
素の濃度によっては、冷媒の気化によって生じた空隙に
放電が発生した場合、その放電が火種となって充填して
いる酸素が爆発する危険がある。そこで、本発明超電導
ケーブルでは、特に、ケーブルコアの内側の冷媒に液体
酸素を含む混合物を使用する。ケーブルコアの内側の冷
媒に液体酸素を含むため、放電が起こってもフォーマー
によって遮られて放電がケーブルコアの内側に達する恐
れがほとんど無く爆発の危険が少ない。上記によりケー
ブルの内側において、液体酸素は高濃度でも良く、凝固
点が最も低くなる（大気圧において約50Ｋ）80体積％弱
を上限とし、ケーブルコアの外側の冷媒が固体化しない
程度の温度になるように定める。

【００１０】従って、少なくともフォーマーの内側に流
動させる冷媒に上記液体酸素と液体窒素との混合物を使
用し、例えば、同内側には上記混合物を送入し、保護層
の外側には爆発の恐れが無いように液体窒素のみを冷媒
として使用すると良い。このとき、フォーマーの内側に
充填させる冷媒は、液体酸素を含有しているため凝固点
を低く沸点を高くすることができ使用温度変化幅を大き
くできる。また、凝固点が低いことにより、超電導導体
をより低温に保持できるため、送電容量の増大が図れ
る。

【００１１】なお、より超電導ケーブルを低温に保持す
るために、フォーマーの内側・保護層の外側に充填され
る冷媒は、ともに液体酸素と液体窒素との混合物であっ
ても良い。このとき、フォーマーの内側に充填される混
合物の酸素濃度は、保護層の外側に充填される混合物の
酸素濃度よりも大きいものが望ましい。フォーマーの内
側に充填される混合物の酸素濃度がより高いことによっ
て、フォーマーの内側に流動される冷媒の凝固点を低下
させ、超電導導体に近い冷媒がより低温であることで大
容量が確保できる。なお、保護層の外側に充填する冷媒
の液体酸素の濃度は、爆発の危険性が少ない程度であれ
ば良い。具体的には、10体積％以上25体積％以下である
ことが望ましい。10体積％よりも小さいと使用温度変化
幅が僅かしか広がらないので、同幅の拡大による効果が
余り期待できない。また、25体積％よりも大きいと上記
の爆発の恐れが大きくなる。このような濃度を満たす混
合物として液体空気が好適である。ここで、液体空気と
は、液体酸素約21体積％、液体窒素約79％とから構成さ
れる液体を指す。なお、上記混合物において不可避的不
純物が含まれていることは言うまでも無い。上記により
本発明は、液体酸素を含有した冷媒を用いることで、特
に超電導導体をより低温に保持することができるので、
液体窒素のみの冷媒と同量の冷媒流量と比較して、送電
容量を増加することができる。また、凝固点が低い液体
酸素を用いることで、超電導ケーブルの使用温度変化幅
を大きくできる。

【００１２】更に、フォーマーの内側に充填する冷媒に
液体酸素を含有する本発明超電導ケーブにおいて、使用
温度変化幅が液体窒素と同じ（大気圧において約14Ｋ）
とすると、凝固点が低いことにより液体窒素よりも更に
低温での使用が可能である。従って、大きな温度特性を
有する超電導ケーブルにおいて、本発明超電導ケーブル
は、若干の温度低下によってその送電容量の増大化を図
かることが可能である。また、液体窒素のみを冷媒とし
た超電導ケーブルと冷却システムの設置区間長を同じと
した場合、上記液体酸素を含む冷媒により、冷媒流量を
減少させることもでき圧損に伴うロスも低下させること
が可能である。特に、上記液体酸素を含有する冷媒は、
通常時における冷媒流量を減少することができるため、
過負荷時において、一時的に極端に冷媒流量を増加させ
る場合も既設の循環ポンプで対応でき、冷媒流量の増量
のために循環ポンプを大きくする必要が無い。

【００１３】上記の液体酸素が混合された冷媒によっ
て、ケーブルコアの絶縁層に含浸されている冷媒で超電
導導体付近の冷媒が冷却され、少なくとも一部の冷媒が
液体から固体状に変態することがある。本発明におい
て、少なくとも一部の冷媒が固体状であるとは、常にま
たは一時的に固体状となっている場合も含む。従って、
液体と固体とが混合した冷媒の運用も許容する。なお、
絶縁層内の冷媒は、流動させることが無いため固体化し
ていても問題ない。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。本発明超電導ケーブル１において、基本的な構成
は図１に示す従来のものと同様であるが、本発明の特徴
とするところは、フォーマー３の内側に流動する冷媒Ｉ
として液体酸素と液体窒素との混合物を使用した点にあ
る。以下、その点を中心に説明する。

【００１５】本発明超電導ケーブル１において、ケーブ
ルコア２の最内部であるフォーマー３は、予め円筒状に
形成された銅などの金属管で、その内側は、冷媒Ｉが流
動される冷媒通路である。超電導導体４は、銀または銀
合金シースの内部にセラミック材を注入して圧延してか
ら伸線にし、それを複数本集めて銀または銀合金シース
で包括し、更に伸ばしてテープ状や丸状にした素線から
構成される。そして、超電導導体４は、フォーマー３の
外表面に積層構造を成してスパイラル状に巻き付けられ
たり、丸線の超電導導体をフォーマー３の外周にスパイ
ラル状に配置している。絶縁層５は、冷媒Ｏ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
巻回したものなどである。

【００１６】ここで、本発明超電導ケーブル１では、フ
ォーマー３の内側に流動する冷媒Ｉとして、液体酸素と
液体窒素との混合物を用いる。このとき、冷媒Ｉの液体
酸素の濃度は、保護層７の外側に流動させる冷媒Ｏが固
体化しない程度に混合させれば良く、凝固点の最も低く
なる80体積％弱を上限として適宜用いると良い。本例で
は、体積比が液体酸素：液体窒素＝１：５、即ち液体酸
素約20体積%、液体窒素約80体積%の液体空気を用いた。
なお、液体空気は、大気圧において沸点約79Ｋ、凝固点
約61Ｋで、冷媒の使用温度変化幅は約18Ｋとなる。従っ
て、液体窒素のみの冷媒の同幅約14Ｋよりも三割程度大
きい。使用温度変化幅が三割ほど大きくなったことで、
冷却区間長も三割程度大きくすることが可能となる。具
体的には、20km線路において液体窒素のみの冷媒では５
km間隔で四個の冷却システムが必要であるが、上記液体
空気では、凝固点が液体窒素よりも低いことで超電導状
態を保持する幅が広がり、約6.5km間隔で三個の冷却シ
ステムにすることができる。従って、同距離線路におい
て冷却システムの個数を減少させることが可能である。

【００１７】ここで図２は、超電導ケーブルにおける送
電容量と温度との関係を表したグラフである。なお、液
体窒素を冷媒として大気圧において約77Ｋに冷却された
超電導ケーブルの送電容量を１としている。図２に示す
ように、超電導ケーブルは、より低温であるほど送電容
量が多くなり、また、超電導ケーブルは、大きな温度特
性を具えるため僅かな温度低下であっても容量の増加は
著しい。具体的には、大気圧において、約57Ｋに冷却す
ると約77Ｋの場合に比べて約2.5倍、約50Ｋでは同約３
倍の送電容量を得ることが可能である。従って、より低
温にすることで過負荷時において、極端な冷媒流量の増
量の必要が無い。なお、上記本例超電導ケーブルにおい
て、大気圧下で約61Ｋに冷却すると約77Ｋの場合に比べ
て約２倍の送電容量が得られる。

【００１８】一方、絶縁層５に含浸される冷媒Ｏには、
放電に起因する酸素の爆発を防止するために液体窒素を
用いる。なお、液体窒素は、大気圧において凝固点が約
63Ｋであるため、液体窒素の凝固点よりも低い冷媒Ｉを
流動することで、超電導導体４付近において絶縁層５の
冷媒の固体化することもある。しかし、絶縁層５の冷媒
は、流動させることが無いので問題ない。ここで、超電
導ケーブル１をより低温に冷却するために、液体酸素と
液体窒素の混合物を冷媒Ｏに使用してもよい。なお、冷
媒Ｏの酸素濃度は、部分放電に起因する爆発が怒らない
程度にすると良い。このとき、超電導導体４を効率良く
冷却するために冷媒Ｉの酸素濃度を冷媒Ｏよりも高くす
ることが好ましい。例えば、冷媒Ｉの酸素濃度は、凝固
点を低くするために80体積％、冷媒Ｏの酸素濃度は、爆
発の危険性が無いように20体積％前後（液体空気）が適
当である。

【００１９】上記凝固点が低い液体酸素を含有した冷媒
Ｉ・Ｏによって超電導ケーブル１は、超電導ケーブル１
全体として流動させる冷媒の量を減少させることもで
き、圧損に伴うロスも低下させることが可能である。

【００２０】なお、超電導ケーブル１は、図１に示すよ
うにケーブルコア２を三本集合させた３芯のものだけで
なく、１本だけの単芯のものでも良い。また、超電導導
体４は、本例のテープ状の素線を撚り合わせたものだけ
でなく、丸線をスパイラル状に配置させたり積層させて
も良い。

【００２１】

【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、冷媒に液体酸素と液体窒素との混合物を
用いることにより液体窒素のみの使用と比較して、より
低温に冷却可能なため送電容量を増大できるという優れ
た効果を奏し得る。特に、フォーマーに遮断されたケー
ブルコアの内側に充填する冷媒に液体酸素が高濃度であ
る混合物を使用することで、送電容量をより大きくでき
る。このとき、部分放電による爆発の恐れも無い。ま
た、液体酸素の使用により冷媒の沸点が高く凝固点が低
いことで使用温度変化幅が大きくなり、冷却システムの
設置区間長を長くすることができ、冷却システムの設置
数を減少できる。更に、上記設置区間長を従来と同様と
した場合、即ち使用温度変化幅が液体窒素と同じであっ
ても本発明超電導ケーブルは、循環させる冷媒流量を減
少することが可能である。従って、圧損に伴うロスが低
減でき、また、冷媒流量の減少に伴い冷媒を流出する循
環ポンプも縮小できる。特に、過負荷時において、極端
な冷媒流量の増量にも既設の循環ポンプで対応できる。
なお、本発明超電導ケーブルにおいて、従来のケーブル
に比べて凝固点が低いため絶縁層内の冷媒が固体化する
恐れもあるが、絶縁層内の冷媒は循環させることが無い
ので問題ない。逆に、フォーマーの内側に流動する冷媒
を絶縁層内の冷媒が固体化する程度の温度で使用するこ
とにより、本発明超電導ケーブルは、より低温での使用
が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明超電導ケーブルのケーブルコアの部分横
断面図である。

【図２】超電導ケーブルにおいて、温度と送電容量との
関係を表すグラフである。

【符号の説明】

１超電導ケーブル２ケーブルコア３フォーマ
ー４超電導導体５絶縁層６遮蔽層７保護層８断熱管Ｉ
・Ｏ冷媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤武志大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者湯村洋康大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者渡部充彦大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者原田真大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内Ｆターム(参考） 5G321 AA99 BA01 CB02 CB99

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーブルコアの内外側に冷媒が充填され
る超電導ケーブルにおいて、前記ケーブルコアの内側に充填される冷媒は、その使用
温度変化幅がケーブルコアの外側に充填される冷媒の使
用温度変化幅よりも大きいことを特徴とする超電導ケー
ブル。
【請求項２】ケーブルコアの内外側に冷媒が充填され
る超電導ケーブルにおいて、ケーブルコアにおける内側の冷媒の凝固点は、ケーブル
コアにおける外側の冷媒の凝固点よりも低いことを特徴
とする超電導ケーブル。
【請求項３】ケーブルコアの内側に充填される冷媒の
使用温度変化幅に、ケーブルコアの外側に充填される冷
媒の使用温度幅が含まれ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４】ケーブルコアの内側に充填される冷媒
は、液体酸素と液体窒素との混合物であることを特徴と
する請求項１または２記載の超電導ケーブル。
【請求項５】ケーブルコアの内外側に充填される冷媒
は、ともに液体酸素と液体窒素とを含む混合物であり、
ケーブルコアの内側に充填される該混合物の酸素濃度
は、ケーブルコアの外側に充填される混合物の酸素濃度
よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の
超電導ケーブル。
【請求項６】ケーブルコアは、超電導導体の外周に絶
縁層を具え、該絶縁層における少なくとも一部の冷媒が
固体状であることを特徴とする請求項５記載の超電導ケ
ーブル。