JP2006156312A - 超電導ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】断熱管による断熱性能を向上でき、輸送中に断熱管の外部が破損してしまっても、断熱管の断熱性能を最低限に維持できる超電導ケーブルを提供する。
【解決手段】超電導ケーブル1のケーブルコア3が収納される断熱管2は、径方向内側から配置される第一金属管21と第二金属管22と第三金属管23とを備える。第一金属管21と第二金属管22の間で内側断熱部5を形成し、第三金属管23の内方で、内側断熱部5の外側に外側断熱部7を形成している。外側の断熱部の断熱性能をそれよりも内側の断熱部の断熱性能より低く設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明はケーブルコアを断熱管に収納して形成される超電導ケーブルに関するものである。

一般に超電導ケーブルは、断熱管の内側に単心ケーブルコア或いは複数本撚り合わせたケーブルコアを収納して形成される（例えば、特許文献１参照）。

ケーブルコアは、中心側から順にフォーマ、超電導導体、絶縁層、シールド層、保護層を備えている。断熱管Aは、図２に示すように、内管A1と外管A2の２重の金属管で構成され、通常は、両管とも屈曲しやすくするために長手方向に蛇腹形状をしたコルゲート管を用いている。そして、内管A1の内側に単心或いは複数本撚り合わせたケーブルコアBを収納している。内管A1の内側とケーブルコアBとの間隙には液体窒素などの冷媒が流入されている。

内管A1と外管A2との間は、断熱性を良くするために真空状態となっている。更に外管A2を介して外部からの輻射熱を防ぐために、内管A1の外周にスーパーインシュレーションなどの帯状の断熱材A3を巻回して積層断熱層を設けている。

特開平9-152089号公報

図２に示す二重管で構成される断熱管では、内管と外管の間に断熱材が介在されていることから、ケーブルの曲げ部分において、断熱材が内管と外管により圧縮されてしまう。このように断熱材が内管と外管に接触してしまうと、外管から断熱材を介して内管に外部の熱が伝わりやすく、侵入熱が増加する問題が生じる。

また、特許文献１に示すケーブル構造では、布設現場で断熱管の断熱部が高真空度となるように真空引きができない場合は、ケーブルを製造する工場で予め断熱管を高真空度で真空引きをした後にケーブルを出荷する場合もある。

そして、断熱管を真空にした状態で出荷した場合、輸送中に外管が破損してしまうと、真空が破られてしまう虞がある。断熱管が破損した場合には、この破損部分を修復した後に、再度、真空引きを行わなくてはならず、真空引きに多大な時間、労力、費用がかかってしまう。

本発明は、断熱管による断熱性能を向上できる超電導ケーブルを提供することを主目的とする。また、他の目的として、輸送中に断熱管の外部が破損してしまっても、断熱管の断熱性能を最低限に維持できる超電導ケーブルを提供する。

本発明は、超電導導体を有するケーブルコアと、ケーブルコアが収納される断熱管とを備える超電導ケーブルであって、断熱管は、径方向内側から径の異なる金属管を三つ以上重ね、各金属管の間で断熱部を形成した構成としている。特に好ましくは、断熱管が径方向内側から配置される第一金属管と第二金属管と第三金属管とを備え、第一金属管と第二金属管の間で内側断熱部を形成し、第三金属管の内方で、内側断熱部の外側に外側断熱部を形成した構成とする。

ケーブルコアは、単心コアでもよいし、３心コアの撚り合わせ構造としてもよい。また、ケーブルコアは、例えば、中心から順に、フォーマ、超電導導体、絶縁層、シールド層、保護層を備えたものが挙げられる。

断熱管を構成する金属管は、フラット管を使用してもよいし、コルゲート管を用いてもよい。ケーブルを曲げやすくするためには、金属管はコルゲート管を用いることが好ましい。

さらに、金属管の材質は、非磁性材料のステンレス鋼、Cu、Cu合金、Al、Al合金の何れかとすることが好ましい。

各金属管の間には、スーパーインシュレーションなどの積層断熱材を設けることが、外部からの輻射熱を防ぐために好ましい。

本発明では、断熱管を三つ以上の多重管で構成しているので、外側の断熱部によって、最も内側の断熱部に外部から水素ガスが侵入するのを抑制して真空度の低下を防止し、最も内側の断熱部の断熱性能が維持される。

また、内側の断熱部が外側の断熱部で保護されるので、外側の金属管が損傷しても、内側の断熱部の断熱性能は維持される。特に、最も内側の断熱部の断熱性能を最も高く設定しておければ、それよりも外側の断熱部が破損しても、最低限の断熱性能は維持できる。

さらに、ケーブルの長期使用により、各断熱部に設ける断熱材などからガスが発生して、断熱部の真空度が低下（内部圧力上昇）しても、多層断熱部構造により断熱管全体としての断熱性能は維持される。

各断熱部は、同程度の断熱性能としてもよいし、内側から外側へ向けて断熱性能を低くしていくように設定してもよい。断熱性能を同等とする場合は、真空度を同じ程度としてもよいし、真空度と断熱材の組み合わせにより同程度に調整してもよい。断熱性能を変える場合、断熱管全体としての断熱性能を向上できながら、外側の断熱部は、真空度を低く（内部圧力を高く）設定できるので真空引きが容易に行える。

例えば、断熱管が第一金属管と第二金属管と第三金属管とを備え、これらの金属管により、内側断熱部と外側断熱部を形成する場合には、内側断熱部と外側断熱部の断熱性能は、外側断熱部の断熱性能を内側断熱部の断熱性能より低く設定する。この場合、内側断熱部を高真空状態にし、外側断熱部を内側断熱部の真空度より低い真空度（内側断熱部より高圧）にすることにより、内側断熱部が主断熱部となり、外側断熱部が補助断熱部となる。

なお、金属管を三重構造にする場合には、外側断熱部によって、内側断熱部が外部からの水素ガスの侵入で断熱性能が低下することを抑制でき、二重断熱部構造により断熱管全体としての断熱性能を向上できる。

特に、外側断熱部の断熱層の厚みを大きく、即ち、第二金属管と第三金属管との間の隙間を大きくすれば、外側断熱部による内側断熱部の断熱をより効果的に行える。このとき、第二金属管と第三金属管との間には、隙間を所定の間隔に保持するためのスペーサーを断熱材とともに介在させることが好ましい。

さらに、外側断熱部の断熱性能を内側断熱部の断熱性能よりも低くする場合、外側断熱部に設ける断熱材の量を少なくするとともに、第二金属管と第三金属管との間の隙間を大きくして真空引きを行いやすくすることが好ましい。

外側断熱部の層の厚さを厚くし、かつ、この断熱層の厚さに対してその内部に配置させる断熱材の量を少なめに設定することにより、外側断熱部を真空引きした際に、速い時間で所定の真空度まで到達させることができる。このように外側断熱部を構成すれば、外側断熱部が破壊されても、修復後の真空引きの際に、速い時間で所定の真空度まで到達させることができる。

また、本発明では、内側断熱部の軸方向長さをケーブルコアの長さより短くし、外側断熱部の長さを内側断熱部の長さより長くすることが好ましい。

このように構成することにより、外側断熱部のケーブル長手方向の長さを内側断熱部の長さよりも長くできるので、内側断熱部を外側断熱部で完全に覆うことができ、内側断熱部の外側断熱部による保護をより確実に行える。

上記のように内側断熱部の長さを外側断熱部の長さより短くする場合には、第二金属管のケーブル長手方向の長さをケーブルコアの実際布設長より短くすることが好ましい。このとき、第一金属管と第二金属管の間の隙間を、第二金属管の長手方向両端部において封鎖して密閉にすることにより内側断熱部を形成し、この内側断熱部を真空とすることが好ましい。本発明では、内側断熱部の真空引きは、高真空度を得るために布設現場ではなく、ケーブルを製造する工場で予め行うようにする。

このように内側断熱部を形成すれば、内側断熱部のケーブル長手方向の長さはケーブルコアの実際布設長より短くなる。なお、実際布設長とは、ケーブルコアを布設して接続を行った後のケーブルコアの長さをいう。

内側断熱部は、軸方向長さをケーブルコアの実際布設長より短くして真空にすることにより、布設現場で、ケーブルコアを実際布設長に切断しても、内側断熱部は、布設現場で端部を切断除去する必要がなくなる。その結果、ケーブル輸送時、布設時、ケーブル接続時の何れのときにおいても、内側断熱部の真空が破壊されることがないので、断熱性能を常に維持でき、ケーブル接続後に、内側断熱部の真空引きを行う必要がなくなる。

なお、布設現場で、内側断熱部を切断することなく、ケーブルコアを切断する場合、ケーブルコアとともに第一金属管と第三金属管も切断する場合がある。このような場合には、第一金属管と第三金属管を切断する前に外側断熱部に窒素ガスなどの不活性ガスを大気圧以上の圧力で注入し、切断する時にも外側断熱部内に水分を含んだ気体が入らないように不活性ガスを注入しながら切断して接続を行い、接続完了後に、再度真空引きを行う。

そして、布設現場でケーブルコアとともに第一金属管と第三金属管も切断する場合には、ケーブル輸送中において、外側断熱部を真空にするか、または、不活性ガスを充填させておくことが好ましい。

ケーブル輸送中において、外側断熱部を真空にする場合は、外側断熱部は、ケーブルを製造する工場において、第二金属管の長手方向両端の外方で、第一金属管と第三金属管の間の隙間を封鎖して密閉に形成し、真空にしておく。このときの真空引きは、断熱部内の水分を気化させるために、高温の雰囲気下で行ってもよい。

外側断熱部をケーブル輸送時に真空にしておく場合には、布設現場では、真空状態の外側断熱部に不活性ガスを注入しながら外側断熱部の切断と接続作業を行い、ケーブル接続後に再度真空引きを行う。このとき、外側断熱部の断熱性能を内側断熱部の断熱性能より低く設定しておけば、外側断熱部を切断して接続した後に行う、真空引きの作業を短時間で行うことができる。また、外側断熱部をケーブル輸送時に殆ど水分が無い真空にしておけば、外側断熱部の断熱性能を高く設定しても、外側断熱部を切断して接続した後に行う、真空引きの作業を短時間で行うことができる。

さらに、ケーブル輸送中において、外側断熱部を不活性ガスで充填しておく場合は、外側断熱部は、ケーブルを製造する工場において、第二金属管の長手方向両端の外方で、第一金属管と第三金属管の間の隙間を封鎖して密閉に形成し、大気圧以上の圧力で不活性ガスを充填させておく。この場合、不活性ガスを充填させる前に、外側断熱部を真空にしておいて、不活性ガスを充填させることが好ましい。このときの真空引きも、断熱部内の水分を気化させるために、高温の雰囲気下で行うようにしてもよい。

このように、ケーブル輸送時に外側断熱部を大気圧よりも高圧となるように不活性ガスで充填させておくと、布設するまでの間に、金属管を通過して水素ガスが断熱部内に侵入してくるのを防止できる。また、予め工場で、外側断熱部を真空にした後に、不活性ガスを充填させておくと、布設現場で外側断熱部を再度真空引きする際に水分の無いように真空引きが行える。

なお、不活性ガスとしては、窒素ガス、ヘリウムガスなどが挙げられるが、安全性、コスト面等から窒素ガスを用いることが好ましい。

本発明は、断熱管の長さをケーブルコアの実際布設長より短くし、各断熱部を真空にしておくことがさらに好ましい。特に、三重管で断熱管を構成する場合には、第二金属管の長さを第一金属管と第三金属管の長さよりも短くして断熱管を形成することが最も好ましい。三重管の場合には、内側断熱部は、第一金属管と第二金属管の間の隙間を、第二金属管の長手方向両端部で封鎖して密閉状態に形成する。そして、外側断熱部は、第一金属管と第三金属管の間の隙間を、第二金属管の長手方向両端の外方で封鎖して密閉状態に形成する。内側断熱部の真空引きは、断熱部内の水分を気化させるために、高温の雰囲気下で行い、外側断熱部の真空引きも高温雰囲気下で行うことが好ましい。

このように、断熱管の長さをケーブルコアの実際布設長より短くして各断熱部を真空にすることにより、断熱管を切断することなく、各断熱部の真空状態を維持したまま、ケーブルの布設、接続を行うことができる。その結果、内側の断熱部を外側の断熱部で保護できるのはもちろんのこと、ケーブルの接続後に、各断熱部を再度真空引きする必要がなくなり作業効率がよくなる。

また、外側の断熱部が、ケーブル輸送中に破損した場合、外側の断熱部の真空度を内側の断熱部の真空度よりも低く設定しておけば、ケーブルの接続後に、破損した外側の断熱部の真空引きを行うときに、この真空引きの作業を布設現場でも行えるような小型の真空引き装置を用いて短時間で行うことができる。

本発明の超電導ケーブルは、交流ケーブル、直流ケーブルのいずれにも利用することができる。また、直流ケーブルでは、交流ケーブルと比べてエネルギー損失が少なく、外部からのケーブルコアへの熱侵入を従来の二重管で構成される断熱管に比べて良好に抑制できる点から、直流ケーブルとして用いる場合に好適である。さらに、本発明の超電導ケーブルを用いて、交流超電導ケーブル線路を形成したり、直流超電導ケーブル線路を形成することができる。なお、本発明の超電導ケーブルの断熱管は、内部に液冷媒を入れずに断熱部を構成している。

本発明によれば、断熱管を三つ以上の多重管で構成しているので、径方向に内側から外側に向けて個別に断熱部を構成できる。その結果、多重断熱部構造により多段階で外部からケーブルコアへの熱侵入を抑制でき、断熱管全体としての断熱性能を従来の二重管に比べて向上できる。

さらに、外側の断熱部によって、最も内側の断熱部へ外部から水素ガスが侵入するのが抑制されるので、最も内側の断熱部の断熱性能を維持できる。加えて、ケーブルの長期使用により、各断熱部に設ける断熱材などからガスが発生して、断熱部の真空度が低下（内部圧力上昇）しても、多層断熱部構造により断熱管全体としての断熱性能を維持できる。

しかも、外側の断熱部により、それよりも内側の断熱部を保護することができるので、最外の金属管が損傷しても、それよりも内側の金属管の損傷を防止でき、内側の断熱部の断熱性能を維持できる。

さらに、断熱管の長さをケーブルコアの実際布設長より短くして、各断熱部を真空にする場合には、断熱管を切断することなく、各断熱部の真空状態を維持したまま、ケーブルの布設、接続を行うことができる。その結果、ケーブルの接続後に、各断熱部を再度真空引きする必要がなり作業効率がよくなる。

本発明では、断熱管が多重管構造となって外径が大きくなるが、多重断熱構造により従来の二重管による断熱構造に比べてケーブルコアへの熱侵入を良好に抑制できるので、直流超電導ケーブルに適用すると効果的である。

さらに、超電導ケーブルの端部同士を接続する場合、通常は、接続された露出ケーブルコアを覆うように筒状のケースを設け、このケースの端部を断熱管の端部外面に溶接により固定する。

このとき、従来の二重管構造の断熱管では、外管が溶接箇所で破損しないように、リング状の台座を外管に取り付けて、この台座を介して、外管にケースを溶接により固定するようにしている。この台座は、ケーブルコアの露出部の長さと、前記ケースの大きさに応じて外管への取り付け位置を設定しなければならないので取り付け作業が煩雑であった。

しかし、本発明では断熱管を三重以上の多重構造としているので、最外の金属管が溶接箇所で破損しても、最も内側の断熱部の断熱性能は維持できるので、従来用いていた台座を不要にすることができる。

以下、本発明の超電導ケーブルの実施の形態を説明する。図１は、本発明超電導ケーブルの両端部における概略断面図である。

[全体構造]
本実施形態に用いる超電導ケーブル1は断熱管2の内部に単心のケーブルコア3を収納したものであり、直流ケーブル用として用いる。図１は、超電導ケーブル1の概略断面図を示しており、断熱管2の長さは、ケーブルコア3の長さより短くなっている。

[ケーブルコア]
この断熱管1内に収納されるケーブルコア2は、図示していないが、中心から順に、フォーマ、超電導導体層、絶縁層、外部導体層、保護層を備える。

フォーマには、金属線を撚り合わせた中実のものや、金属パイプを用いた中空のものが利用できる。各導体層に用いる超電導導体には、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が好適である。このテープ線材をフォーマの上に多層に巻回して導体を構成する。

超電導導体の外周には絶縁層が形成される。この絶縁層は、クラフト紙や、クラフト紙にポリプロピレンフィルムをラミネートした絶縁紙（例えば住友電気工業株式会社製PPLP：登録商標）などを用い、超電導導体の外周に巻回して構成することができる。なお、本実施形態では、前記した構成のケーブルコアを、三心撚り合わせたのものを断熱管内に収納しても差し支えない。

[断熱管]
断熱管2は径方向内方側から、管径の異なる第一金属管21、第二金属管22、第三金属管23を重ね合わせた三重管を備えている。これらの金属管は、それぞれステンレス鋼で形成したコルゲート管で構成されている。

本実施形態では、第二金属管22の管の長さが最も短く、第一金属管21と第三金属管23は同じ長さにしている。なお、第一金属管21と第三金属管23の長さは、第一金属管21を第三金属管23よりも短くしてもよい。本実施形態では、第一金属管21と第三金属管23の長さをケーブルコアの実際布設長よりも短くしており、第二金属管22の長さが後記する内側断熱部5の長さとなり、第一金属管21と第三金属管23の長さが外側断熱部7の長さとなる。

第二金属管22を第一金属管21の中間位置に配置し、所定の隙間を空けた状態で、第二金属管22の一端において、第一金属管21と第二金属管22との間の隙間を板状の第一リング部材41で封鎖し、第二金属管22の他端を板状の第二リング部材42で封鎖する。本実施形態では、第一金属管21、第二金属管22、第一リング部材41、第二リング部材42により密閉空間を形成し、この密閉空間を内側断熱部5としている。

この密閉空間には、図示していないが、密閉する前に、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（積層断熱材）を配置しておく。そして、第一金属管21と第二金属管22の隙間を密閉した後に内側断熱部5を高温下で真空引きをして高真空状態にする。

次に、第二金属管22が重なっていない部分の第一金属管21の外周と第二金属管22の外周にスーパーインシュレーションを配置させ（図示せず）、このスーパーインシュレーションの外周に断面矩形の線状スペーサー6をらせん状に巻き、断熱材とスペーサー6の外周に第三金属管23を配置させる。このときの、スーパーインシュレーションの量は、径方向の厚みが、第二金属管22と第三金属管23の間の隙間にできる空気の流路が広くなるように、できるだけ薄くしている。

第三金属管23と第二金属管22の間を前記スペーサー6により所定の隙間を空けた状態で、第三金属管23と第一金属管21の両端を板状の第三リング部材43と第四リング部材44で封鎖する。本実施形態では、第三金属管23、第一リング部材41、第二リング部材42、第三リング部材43、第四リング部材44、第一金属管21の一部、第二金属管22により形成される密閉空間で外側断熱部7が構成される。そして、外側断熱部7を密閉した後に高温下で真空引きをして外側断熱部7を高真空状態にする。

本実施形態では、第一金属管21と第二金属管22との間の隙間の大きさに比べて、第二金属管22と第三金属管23との間の隙間をかなり大きくして、外側断熱部7の真空引きを行いやすくしている。

そして、布設現場において、内側断熱部5と外側断熱部7の真空状態を維持したまま、ケーブルコア3を接続するとともに、図示していないが、露出したケーブルコア3を接続用のケースで覆い、このケースの端部を第三金属管23の端部に固定する。このようにケーブルコアを接続する時に、内側断熱部5および外側断熱部7は切断されないので、内側断熱部5と外側断熱部7の真空状態は維持され、再度真空引きを行う必要がなくなる。

本実施形態では、断熱管を三重管構造としているので、径方向に内側断熱部と外側断熱部を個別に構成でき、この外側断熱部と内側断熱部との二段階の断熱によって外部からケーブルコアへの熱侵入を抑制して断熱管全体としての断熱性能を向上できる。

特に、各金属管の間に断熱材を介在させて真空にしているので、断熱管全体としての断熱性能を従来の二重管による断熱管に比べて向上できる。

本発明の超電導ケーブルは、直流超電導ケーブルとして好適に用いられる。

本発明超電導ケーブルの両端部を示す概略断面図である。 従来の超電導ケーブルの概略断面図である。

符号の説明

1 超電導ケーブル
2 断熱管
21 第一金属管 22 第二金属管 23 第三金属管
3 ケーブルコア
41 第一リング部材 42 第二リング部材
43 第三リング部材 44 第四リング部材
5 内側断熱部
6 スペーサー
7 外側断熱部

Claims (12)

1. 超電導導体を有するケーブルコアと、ケーブルコアが収納される断熱管とを備える超電導ケーブルであって、
   断熱管は、径方向内側から径の異なる金属管を三つ以上重ね、
   各金属管の間で断熱部を形成していることを特徴とする超電導ケーブル。
2. 外側の断熱部の断熱性能をそれよりも内側の断熱部の断熱性能より低く設定していることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル。
3. 断熱管が径方向内側から配置される第一金属管と第二金属管と第三金属管とを備え、
   第一金属管と第二金属管の間で内側断熱部を形成し、
   第三金属管の内方で、内側断熱部の外側に外側断熱部を形成していることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の超電導ケーブル。
4. 内側断熱部のケーブル長手方向の長さをケーブルコアの長さより短くし、外側断熱部の長さを内側断熱部の長さより長くしていることを特徴とする請求項３に記載の超電導ケーブル。
5. 内側断熱部は、第二金属管のケーブル長手方向の長さをケーブルコアの実際布設長より短くして、第一金属管と第二金属管の間の隙間を、第二金属管の長手方向両端部で封鎖して形成され、内側断熱部を真空としていることを特徴とする請求項４に記載の超電導ケーブル。
6. 外側断熱部は、ケーブルの輸送時において、第二金属管の長手方向両端の外方で、第一金属管と第三金属管の間の隙間を封鎖して形成され、かつ、真空にしていることを特徴とする請求項５に記載の超電導ケーブル。
7. 外側断熱部は、ケーブルの輸送時において、第二金属管の長手方向両端の外方で、第一金属管と第三金属管の間の隙間を封鎖して形成され、かつ、大気圧以上の圧力で不活性ガスが充填されていることを特徴とする請求項５に記載の超電導ケーブル。
8. 不活性ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項７に記載の超電導ケーブル。
9. 断熱管の長さがケーブルコアの実際布設長より短く、
   各断熱部を真空にしていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の超電導ケーブル。
10. 断熱管が第一金属管と第二金属管と第三金属管とを備え、
    第二金属管の長さは第一金属管と第三金属管の長さよりも短く、
    内側断熱部は、第一金属管と第二金属管の間の隙間を、第二金属管の長手方向両端部で封鎖して形成され、
    外側断熱部は、第一金属管と第三金属管の間の隙間を、第二金属管の長手方向両端の外方で封鎖して形成されていることを特徴とする請求項９に記載の超電導ケーブル。
11. 断熱管の金属管の材質がステンレス鋼、Cu、Cu合金、Al、Al合金の何れかであることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れかに記載の超電導ケーブル。
12. 超電導ケーブルを直流ケーブルとして用いることを特徴とする請求項１から請求項１１の何れかに記載の超電導ケーブル。

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