JP2006310310A - 超伝導ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導材料ケーブルにおける電流損失をより少なくして、正常の操作中には電流が主として超伝導材料に流れる超伝導ケーブル用の導電体を提供する。
【解決手段】超伝導ケーブルコア１及び該超伝導ケーブルコア１を包み込む低温保持装置２からなり、超伝導ケーブルコア１が超伝導体３、超伝導体３を取り巻く絶縁層４、及び絶縁層４を取り巻く遮蔽体５から構成されている超伝導ケーブルであって、超伝導体３が誘電材料又は半導体材料の層３ｂがストランド又はチューブ形状として通常の導電材料から形成された中央エレメント３ａに取り付けられ、超伝導材料からなるワイヤー又はストリップの層３ｃが誘電材料又は半導体材料の層３ｂ上にらせん状に配置されていて、かつ中央エレメント３ａ及び層３ｃがそれぞれケーブルコア１の末端で電導するように互いに接続されている、超伝導ケーブル。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導状態で電流を導電する超伝導材料ケーブルに関する。

特許文献１は、管状のキャリアーを含み、その上に超伝導のストリップ（strip）の第1層が巻きつけられている、超伝導ケーブルを開示している。該第1層は、誘電体に囲まれていて、その上に超伝導を示すストリップの第２層が巻付けられている。超伝導を示すストリップは金属層の内部に配置されている。この超伝導材料ケーブルの場合には、第1層が位相導体（phase conductor）として、また第２相が戻し導体（return conductor）としての機能を果たす。位相導体と戻し導体は、相互の関連において同軸で電流が流れる。

第２層においては、銅ストリップの更なる層が存在し、この層はケーブルの冷却不足又は短絡電流が生じたときに安定化に役立つ。銅ストリップはその中に超伝導材料が配置されている金属層と接触している。

このように構成されている多くの導電体は、外部で発生する熱から超伝導材料を断熱する低温保持装置中に配置されている。この導電体設計の欠点は、超伝導材料の導電体と通常の導電体との直接接触、及び種々の層のより最適でないストランドは、ケーブルに損失を生じさせることである。
国際公開００／３９８１３号パンフレット

本発明は、超伝導材料ケーブルにおける電流損失をより少なくして、平常の操作中には電流が主として超伝導材料に流れ、通常の導電材料中に流れる電流を可能な限り減少させることを確実にする超伝導ケーブル用の導電体を提供する。

本発明は、超伝導ケーブルコア(１)及び該超伝導ケーブルコア(１)を包み込む低温保持装置(２)からなり、該超伝導ケーブルコア(１)が少なくとも超伝導体(３)、超伝導体(３)を取り巻く絶縁層(４)、及び絶縁層(４)を取り巻く遮蔽体(５)から構成されている超伝導ケーブルであって、
超伝導体(３)が、少なくとも下記中央エレメント（３ａ）、層（３ｂ）及び層（３ｃ）の順に配置された構造で、誘電材料又は半導体材料の層（３ｂ）がストランド又はチューブ形状として通常の導電材料から形成された中央エレメント（３ａ）に取り付けられ、少なくとも１つの超伝導材料からなるワイヤー又はストリップの層（３ｃ）が誘電材料又は半導体材料の層（３ｂ）上にらせん状に配置されていて、かつ中央エレメント（３ａ）及び層（３ｃ）がそれぞれケーブルコア(１)の末端で電導するように互いに接続されている、ことを特徴とする超伝導ケーブルに関する発明である。

本発明の超伝導ケーブルについては更に下記の態様とすることが可能である。
（II）層（３ｂ）が中央エレメント（３ａ）に取り付けられる熱可塑性プラスチック材料又は紙の層であること、
（III）前記（II）において、層（３ｂ）が少なくとも１つの導電体にせん状に配置されている、ストリップ形状の材料層を含むこと、
（IV）前記（II）又は（III）において、層（３ｂ）が１又はそれ以上のポリプロピレンが積層されている紙ストリップを含むこと、
（Ｖ）層（３ｂ）が１又はそれ以上のカーボン紙の層を含むこと、
（VI）層（３ｂ）が空気でありそして１又はそれ以上の誘電材料のスペーサーが中央エレメント（３ａ）と超伝導材料の層（３ｃ）との間に配置されていること、
（VII）前記（Ｉ）ないし（Ｖ）において、超伝導ケーブルコア(１)の各末端に備えられている電気的接続が少なくとも１つの銅製のリング(７)によって作製されており、該リング(７)が中央エレメント（３ａ）と層（３ｃ）との間に位置されており、そして中央エレメント（３ａ）と層（３ｃ）とが導電するように接触していること
（VIII）前記（VII）において、各リング(7)が中央エレメント（３ａ）及び超伝導材料の層（３ｃ）の双方にはんだ付けで接続されていること、
（IX）遮蔽体（５）が、(i)絶縁層（４）上に絶縁層（４）に対してらせん状に配置されている、超伝導ワイヤー又はストリップの第１層(５ａ)、(ii)通常の導電性材料の少なくとも１つのワイヤー又はストリップを含む第２層(５ｃ)、及び(iii)第１層(５ａ)と第２層（５ｃ）との間に配置された誘電体又は半導体材料からなる層(５ｂ)を含み、そして第１層(５ａ)と第２層(５ｃ)は、それぞれ遮蔽体(５)の末端で電気的に伝導するように互いに接続されていること
（Ｘ）前記（IX）において、前記電気的に伝導する接続が少なくとも１の銅製リング（８）によりなされており、該リング（８）は２つの層（５ａ、５ｃ）の間に配置されていて、かつ両層（５ａ、５ｃ）と導電するように接触していること、
（XI）前記（Ｘ）において、各リング（８）がはんだ付け接続により超伝導材料の層（５ａ）、及び通常の導電材料の層（５ｃ）の双方に接続されていること、
（XII）超伝導材料からなる第１層（３ｃ）の少なくとも１つのワイヤー又は少なくとも１つのストリップが３×Ｄ_１（ここで、Ｄ_１は層（３ｂ）の外径である。）よりも長い層の長さを有する誘電体又は半導体材料の層（３ｂ）に取り付けられていること、
（XIII）遮蔽体(５)の第１層（５ａ）の少なくとも１つのワイヤー又は少なくとも１つのストリップが３×Ｄ_２（ここで、Ｄ_２は絶縁層（４）の外径である。）よりも長い層の長さを有する絶縁層（４）に取り付けられていること、
（XIV）前記（Ｉ）ないし（XVIII）において、平常操作の場合に、超伝導層（３ｃ、５ａ）の電流が主流である電流分布が得られ、短絡回路電流の場合に通常の導電性材料の層（３ａ、５ｃ）の電流が主流である電流分布が得られるように、超伝導が交流で操作されているときにそれぞれの超伝導層（３ｃ、５ａ）の層の長さを、インピーダンスの誘導と抵抗成分の許容値から選択すること

本発明の超伝導ケーブルは、電流が平常操作中には主として超伝導材料を流れ、そして通常の導電材料中に流れる電流は最小限に減少させることが可能であり、また、他方、短絡の場合又は転移温度を越えた場合に通常の導電材料の導電体は全電流を通電可能にする。

本発明は、ケーブル中の好ましい電流の分配を誘導とオームの抵抗を考慮することにより達成可能にする、という効果を上げている、その結果、平常運転中に電流は、主に超伝導材料中を流れ、そして超伝導材料が多層の場合には、好ましくはこれらの層の間に分配される。
それ故、短絡の場合には、電流は主に通常の導電性材料の層を流れる。
本発明は、図１と２の中で概略的に示される典型的な態様により詳細に説明される。

図1は、超伝導ケーブルコア１、及びケーブルコアがその中に備えられている低温保持装置２からなる超伝導ケーブルを示す。
ケーブルコア１は、超伝導体３、絶縁層４及び遮蔽体５を有する。
超伝導体３と遮蔽５の構成を図２に基づいてより詳細に説明する。
絶縁層４は、ストリップ形状にある遮蔽物質の多層、好ましくは紙又はポリプロピレン（ＰＰＬＰ）でラミネートした紙の多層を含む。

低温保持装置２は、２つの波形（コルゲート）金属（好ましくはステンレススチール）チューブ２ａ、２ｂを含み、これらのチューブは互いの関係において同心円的に配列されており、また詳細には表示されていないがスペーサーによって互いに一定間隔で配置されている。
ケーブルコア1と内部の波形チューブ２ａとの間の環状のギャップ、および波形チューブ２ａと２ｂとの間の環状のギャップは、冷却媒体の輸送に利用される。波形チューブ２ｂの外側には、押出成形されたプラスチックシース（さや）６が存在する。３本の同一の超伝導ケーブルが送電システムを形成する。

図２はケーブルコア1の側面の断面図を示す。
ケーブルコア1の超伝導体３は、チューブ形状か、又は図に示すように多数の縒り線である銅線からなるストランドを含む。特に好ましくは、中央エレメントは、１又は複数層の縒り線にされた通常の伝導性ワイヤーを含む。

中央エレメント３ａ上には、誘電体又は半導体物質の層３ｂが存在する。層３ｂは、多くの紙またはカーボン紙の層を含む。層３ｂ上には少なくとも超伝導ワイヤー又はストリップの１つの層３ｃが存在し、この層３ｃは層３ｂ上で縒り線にされている。
層３ｃの超伝導ワイヤー又はストリップの層の長さは、３×Ｄ_１よりは大きい、ここでＤ_１は、層３ｂの外径である。

超伝導体３の各末端で、超伝導材料からなる層３ｃを有する中央エレメント３ａは、接続部７に接続されている。接続部７は好ましくは、銅リングの形状をとり、中央エレメント３ａ及び層３ｃのワイヤー又はストリップの双方にはんだ付けされている。層３ｃは絶縁層４で覆われていて、絶縁層４は、ポリプロピレンで被覆された紙のストリップの多重の特定層を含む。

絶縁層４上には、遮蔽体５が配置される、この遮蔽体５は超伝導材料の第１層５ａを含む。層５ａは、導電層３の層３ｃと同様に構成される。
層５ａのワイヤー又はストリップの層の長さは、３×Ｄ_２よりも大きい、ここでＤ_２は、絶縁層４の外径である。層５ａの上には、層５ｂが存在する、該層５ｂは、導電層３の層３ｂと同様に構成される。

層５ｂ上には、通常の導電材料の層５ｃが配置されている。この層５ｃは、好ましくは少なくとも１つの銅のストリップを含み、このストリップは層５ｂ上に堅く巻かれている。
遮蔽体５の末端では、層５ａと５ｃは、接続エレメント８によって互いに接続されている。接続エレメント７のように、接続エレメント８は好ましくは銅リングの形状をとり、この銅リング層５ａと５ｃにはんだ付けされている。

超伝導材料がその表面又は内面に存在するストリップ形状のワイヤーは、特有の優位性を持って超伝導層３ｃと５ａに使用される。
超伝導材料としては、セラミック、特に銅（Cu）、バリウム（Ba）およびイットリウム（Y）の酸化混合物（YBCA）、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、銅(Cu)、タリウム(Tl)及び水銀(Hg) の酸化混合物（BSCCO）に基づくセラミック、又はこれらの類似物が例示される。
層５ｃの単一ストリップ又は複数ストリップの層の長さは、３×Ｄ_２よりは大きい、ここでＤ_２は絶縁層４の外径である。
本発明は、電力等を長距離伝送する際の電力ケーブルとして広く使用することができる。

本発明の超伝導ケーブルの概念図 本発明の超伝導ケーブルの断面図

符号の説明

１ ケーブルコア
２ 低温保持装置
２ａ 波形チューブ
２ｂ 波形チューブ
３ 超伝導体
３ａ 中央エレメント
３ｂ 誘電層（又は半導体層）
３ｃ 超伝導ワイヤー層（又はストリップ層）
４ 絶縁層
５ 遮蔽体
５ａ 第１層（超伝導体）
５ｂ 誘電層（又は半導体層）
５ｃ 第２層
６ シース
７ 接続部
８ 接続部

Claims (14)

1. 超伝導ケーブルコア(１)及び該超伝導ケーブルコア(１)を包み込む低温保持装置(２)からなり、該超伝導ケーブルコア(１)が少なくとも超伝導体(３)、超伝導体(３)を取り巻く絶縁層(４)、及び絶縁層(４)を取り巻く遮蔽体(５)から構成されている超伝導ケーブルであって、
   超伝導体(３)が、少なくとも下記中央エレメント（３ａ）、層（３ｂ）及び層（３ｃ）の順に配置された構造で、誘電材料又は半導体材料の層（３ｂ）がストランド又はチューブ形状として通常の導電材料から形成された中央エレメント（３ａ）に取り付けられ、少なくとも１つの超伝導材料からなるワイヤー又はストリップの層（３ｃ）が誘電材料又は半導体材料の層（３ｂ）上にらせん状に配置されていて、かつ中央エレメント（３ａ）及び層（３ｃ）がそれぞれケーブルコア(１)の末端で電導するように互いに接続されている、ことを特徴とする超伝導ケーブル。
2. 層（３ｂ）が中央エレメント（３ａ）に取り付けられる熱可塑性プラスチック材料又は紙の層であることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導ケーブル。
3. 層（３ｂ）が少なくとも１つの導電体にせん状に配置されている、ストリップ形状の材料層を含むことを特徴とする、請求項２に記載の超伝導ケーブル。
4. 層（３ｂ）が１又はそれ以上のポリプロピレンが積層されている紙ストリップを含むことを特徴とする、請求項２又は３に記載の超伝導ケーブル。
5. 層（３ｂ）が１又はそれ以上のカーボン紙の層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の超伝導ケーブル。
6. 層（３ｂ）が空気でありそして１又はそれ以上の誘電材料のスペーサーが中央エレメント（３ａ）と超伝導材料の層（３ｃ）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導ケーブル。
7. 超伝導ケーブルコア(１)の各末端に備えられている電気的接続が少なくとも１つの銅製のリング(７)によって作製されており、該リング(７)が中央エレメント（３ａ）と層（３ｃ）との間に位置されており、そして中央エレメント（３ａ）と層（３ｃ）とが導電するように接触していることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか1項に記載の超伝導ケーブル。
8. 各リング(７)が中央エレメント（３ａ）及び超伝導材料の層（３ｃ）の双方にはんだ付けで接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の超伝導ケーブル。
9. 遮蔽体（５）が、(i)絶縁層（４）上に絶縁層（４）に対してらせん状に配置されている、超伝導ワイヤー又はストリップの第１層(５ａ)、(ii)通常の導電性材料の少なくとも１つのワイヤー又はストリップを含む第２層(５ｃ)、及び(iii)第１層(５ａ)と第２層（５ｃ）との間に配置された誘電体又は半導体材料からなる層(５ｂ)を含み、
   そして第１層(５ａ)と第２層(５ｃ)は、それぞれ遮蔽体(５)の末端で電気的に伝導するように互いに接続されていることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか1項に記載の超伝導ケーブル。
10. 前記電気的に伝導する接続が少なくとも１の銅製リング（８）によりなされており、該リング（８）は２つの層（５ａ、５ｃ）の間に配置されていて、かつ両層（５ａ、５ｃ）と導電するように接触していることを特徴とする、請求項９に記載の超伝導ケーブル。
11. 各リング（８）がはんだ付け接続により超伝導材料の層（５ａ）、及び通常の導電材料の層（５ｃ）の双方に接続されていることを特徴とする、請求項１０に記載の超伝導ケーブル。
12. 超伝導材料からなる第１層（３ｃ）の少なくとも１つのワイヤー又は少なくとも１つのストリップが３×Ｄ_１（ここで、Ｄ_１は層（３ｂ）の外径である。）よりも長い層の長さを有する誘電体又は半導体材料の層（３ｂ）に取り付けられていることを特徴とする、請求項１ないし1１のいずれか1項に記載の超伝導ケーブル。
13. 遮蔽体(５)の第１層（５ａ）の少なくとも１つのワイヤー又は少なくとも１つのストリップが３×Ｄ_２（ここで、Ｄ_２は絶縁層（４）の外径である。）よりも長い層の長さを有する絶縁層（４）に取り付けられていることを特徴とする、請求項１ないし1２のいずれか1項に記載の超伝導ケーブル。
14. 平常操作の場合に、超伝導層（３ｃ、５ａ）の電流が主流である電流分布が得られ、短絡回路電流の場合に通常の導電性材料の層（３ａ、５ｃ）の電流が主流である電流分布が得られるように、
    超伝導が交流で操作されているときにそれぞれの超伝導層（３ｃ、５ａ）の層の長さをインピーダンスの誘導と抵抗成分の許容値から選択することを特徴とする、請求項１ないし1３のいずれか1項に記載の超伝導ケーブル。