JP2007080649A - 超電導送電用断熱多重配管 - Google Patents

Abstract

【課題】 設置される外環境からの入熱を、スーパーインシュレーションのような、火災やそれによる損傷の原因となる危険性のある手段によらず、かかる危険性のない手段によりカットし得る超電導送電用断熱多重配管を提供する。
【解決手段】 多重管構造の内部に超電導ケーブル１が収納され、隣接二重管間隙の少なくとも１つが真空断熱層とされた超電導送電用断熱多重配管において、配管素材に金属コーティング６が形成されてなり、及び／又は、配管素材の１本以上が内面、外面の何れか一方又は両方の全面にRa0.2μm以下の表面粗さを有してなる。金属コーティング６は、アルミニウム、亜鉛、若しくはそれらを含んだ合金からなることが好ましい。又、隣接二重管間隙に低熱伝導性材料からなるスペーサ４が配置されたものが好ましい。又、金属コーティングは、片側当たりの付着量が10g/m²以上の膜であることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導送電用断熱多重配管に関し、詳しくは、超電導送電に用いる超電導ケーブルを収納する断熱多重配管において、外環境から侵入する入熱をカットする（遮断若しくは減じる、の意、以下同じ）配管構造を有する超電導送電用断熱多重配管に関する。

超電導送電を考えた場合、超電導ケーブルを超電導状態として安定して利用できるように図る必要があり、断熱二重管を始め、断熱多重管構造の配管構造が必要とされる。つまり、極低温で超電導性を発現する導体（電線ケーブル）を、多重管構造の最内管内に配置し、同管内を、液体窒素等の極低温冷媒を流して極低温に冷却すると共に、ケーブル全体が置かれる環境から侵入する熱を遮断する必要がある。従来は、内側の管（冷却されている管若しくはそれよりも外側に配置される管）と、その外側に位置する管との間を真空に保つと共に、それらの管同士が直接接触しないように、低熱伝導性材料からなるスペーサを挟んだ構造にするに留まらず、内側の管の外側に、スーパーインシュレーションと呼ばれる、輻射をカットする膜を幾重にも巻き付けて、遠赤外域を始めとした長波長域からの輻射エネルギーをカットすることが行われている。スーパーインシュレーションとは、ポリエステル等の有機樹脂フィルムに、アルミ等を蒸着、スパッタリング等で成膜した絶縁フィルムで、輻射熱をカットできるものである。ポリエステルの他には、ポリイミド等の材料もフィルム材料として用いられている。

図２は、従来の超電導送電用断熱多重配管の例を示す横断面図である。この例では、二重管構造の内管２内に超電導ケーブル１を入れ、同管内に液体窒素を流して冷やし、内管２の外面には有機樹脂ベースのフィルムにアルミを基本とした金属を蒸着した絶縁フィルムからなるスーパーインシュレーション３を幾重にも巻いて、外管５を通り抜けてくる熱をカットするようにしている。又、内管２の外面と外管５の内面の間に、低熱伝導性のスペーサ４を入れて、内外両管が直接接触しないようにしている。尚、超電導送電用断熱多重配管の素管については、スーパーインシュレーション使用を前提としているために、輻射効果（即ち、輻射率を小さくする効果）の観点からは、特に、表面粗さは問題視されていなかった。

スーパーインシュレーションは、その利用が当然視されていることもあって、低温向け断熱二重管に用いた特許文献は見出していないが、高温向け断熱二重管への適用に関し、特許文献１に、同様な輻射熱カットの目的で、合成樹脂フィルム上にアルミ合金層をスパッタにより作成したシートを内管外面に巻いてなる断熱真空二重管が記載されている。
特開平１１−１２５３９０号公報

上記した従来の超電導送電用断熱多重配管は、単なる実験室レベルのミニスケールのものであれば特にこれといった問題はないものの、10ｍを超えるような装置や、実際の設営を想定した場合には、スーパーインシュレーションを使用していることから、施工時に火災を起し易い問題がある。つまり、断熱多重配管を現地で切断したり又は溶接したりする際に、火花が容易にスーパーインシュレーションに引火して、ケーブル自体を損傷するおそれがある。

超電導電送網は、未だ敷設されているわけではない。然しながら、従来の送電ケーブルのように、全国又は世界各地に送電されることを想定し、特に、奥地等への設置を想定した場合、スーパーインシュレーションを使用した断熱多重配管を用いるのでは、施工時にケーブルの損傷や火災等の危険を孕む難点がある。
そこで、本発明は、設置される外環境からの入熱を、スーパーインシュレーションのような、火災やそれによる損傷の原因となる危険性のある手段によらず、かかる危険性のない手段によりカットし得る超電導送電用断熱多重配管を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明は、多重管構造の内部に超電導ケーブルが収納され、隣接二重管間隙の少なくとも１つが真空断熱層とされた超電導送電用断熱多重配管において、配管素材に金属コーティングが形成されてなること、及び／又は、配管素材の１本以上が内面、外面の何れか一方又は両方の全面にRaで0.2μm以下の表面粗さを有してなることを特徴とする超電導送電用断熱多重配管である。本発明では、金属コーティングは、アルミニウム、亜鉛、若しくはそれらを含んだ合金からなることが好ましい。又、本発明では、隣接二重管間隙に低熱伝導性材料からなるスペーサが配置されたものが好ましい。

又、本発明では、金属コーティングは、片面当たりの付着量が10g/m²以上の膜であることが好ましい。この付着量は、より好ましくは50g/m²以上である。
尚、本発明にいう多重管構造とは、径の異なる複数の管を入れ子状に配置してなる構造を指す。又、隣接二重管間隙とは隣接する内側の管と外側の管との間の空間を指す。

本発明によれば、超電導ケーブルを使って送電する断熱多重配管において、有機材料ベースの易燃性のスーパーインシュレーションを使うことなく、輻射入熱をカットすることができる。又、本発明に用いる金属コーティングは、施工時の切断作業や溶接作業等で不可避的に発生する火花等によって収縮や喪失することなく、外環境からの入熱をカットし、断熱効果を確保することができる。又、スーパーインシュレーションのように幾重にも巻く作業は不要であるから、施工作業性が格段に向上する。

本発明では、(1)金属コーティングを用いて、輻射による熱エネルギー侵入をカットする、及び／又は、(2)表面粗さを平滑にすることにより、輻射による熱エネルギー侵入をカットする。金属コーティングを形成する部位は、例えば断熱二重管構造であれば、超電導ケーブルを装入し且つ液体窒素等の冷媒を流す内管の外面、及び、外管の内面が好ましい。真空断熱される間隙を構成する面、内側の管の外面、外側の管の内面であることが望ましい。尚、更に、内管の内面や、外管の外面に、金属コーティングを形成してもよい。又、三重管以上の多重管構造の場合、超電導ケーブルを装入し且つ液体窒素等の冷媒を流す管（好ましくは最内管）の外面、或いは更に、多重管構造内の複数の隣接二重管間隙のうち真空断熱層とされる間隙を区画している内側の管の外面及び外側の管の内面に金属コーティングを形成するのが好ましい。尚、更に、これら以外の配管の内面及び／又は外面に、金属コーティングを形成してもよい。

金属コーティングを志向する背景は、施工時に、切断や溶接を実施した時に、僅かではあるが不可避的に発生する火花に起因して火災が起り、特に、有機樹脂系材料で形成されているスーパーインシュレーションが焼け易く、且つ変形（収縮）して使い物にならなくなることを回避することにある。金属コーティングに用いる金属の種類は、特に限定しないが、当該金属の皮膜が、外から侵入する遠赤外光（エネルギー）をカットできる輻射効果の高いものである必要がある。

金属コーティングは、中でも、輻射効果の高さと製造し易さの点からみて、アルミニウム若しくは亜鉛の単体、又はこれらの何れか１種若しくは２種を含む合金を素材として形成することが好ましい。
金属コーティングの形成手法は、電気めっき法、溶融金属に浸漬しこれを付着させる方法（溶融めっき法）、スパッタリング、蒸着（ＰＶＤ又はＣＶＤ）等の何れの方法も好ましく用い得る。金属コーティングの形成手法によっては、配管の内外両面とも同一種類の皮膜がほぼ同一厚みに成膜される場合、或いは両面で互いに異なる種類の皮膜が異なる厚みに成膜される場合があるが、本発明では何れの場合であっても採用することができ、期待する輻射効果に応じて、金属の種類、膜の付着量を決定すればよいが、付着量に関しては、片面当たり10g/m²以上であることが、輻射効果を達成するには好ましく、更に一層の効果を期待するには、片面当たり50g/m²以上であることが望ましい。又、金属コーティングの膜厚が厚いほど輻射効果が向上するので、本発明では膜厚の上限は特に限定されず、現在製造可能な上限の膜厚（おおよそ300μm）であってもよい。本発明によれば、スーパーインシュレーションを生産し、それを幾重にも巻くことに比べ、１回のコーティング作業で済ますことができ、生産性及び現地施工性が格段に向上する。

又、金属コーティングの形成有無に拘らず、素管の表面粗さをRaで0.2μm以下にすることによって、輻射効果を確保することができる。この方法によっても、スーパーインシュレーションの使用を回避できる。金属コーティングとの併用も可能である。Raが0.2μmを超えると輻射効果が期待できないため、0.2μm以下であることが必要である。機会研磨及び薬液による研磨の限界から、0.005μm程度であろうと推定される。しかしながら、技術の進歩によって、この下限レベルは、より一層小さくなる可能性はある。

表面粗さを調整した際、腐食等の影響によって、当初の表面粗さが期待できない場合があるため、クロメート皮膜等の非常に薄い金属コーティングを付着したり、有機樹脂を主成分とした皮膜を付けて、表面を保護してもよい。
又、多重管構造をなす複数の配管が互いに接触し、熱伝導により熱が侵入することを防ぐために、複数個の隣接二重管間隙の個々全てに、低熱伝導性材料からなるスペーサを配置することが好ましい。特に、本発明の最良の実施形態では、前記スペーサを、隣接二重管間隙のうち真空断熱層とした間隙に必須に配置するものとする。

スペーサをなす低熱伝導性材料としては、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、テフロン（テトラフルオロエチレンC₂F₄の重合体）等が好ましく用い得る。スペーサの全体形状は、三角以上の多角形状の何れであってもよく、内側の管をスペーサ中央に開けた孔に通すことが可能で且つ外側の管の内面に多角形状の頂点の全部又は一部が接触することが可能に構成するのが好ましい。多角形状の頂点と外側の管の内面との接触状態は、熱伝導による熱の侵入をより抑制する観点から、面接触状態とするよりも、点接触状態とするのが好ましい。又、熱伝導による熱の侵入をより一層抑制する観点から、スペーサはその中央以外の部位にも適宜孔を開けた構造としてもよい。

図１は、本発明の実施例１(1)を示す横断面図である。この例は二重管構造に関するものである。超電導ケーブル１は内管２内に装入されている。内管２は、BA(ブライトアニール)材を製管してなるSUS316L鋼管を、電解研磨後、溶融アルミニウムめっき処理したものであり、内管２の内面及び外面にアルミニウムめっき層６が形成されている。
外管５は、BA材を製管してなるSUS316L鋼管を、電解研磨後、溶融アルミニウムめっき処理したものであり、外管５の内面及び外面にアルミニウムめっき層６が形成されている。

内管２と外管５との間隙には四角形状のスペーサ４を配置し、両管の直接相互接触を防いでいる。スペーサ４はＧＦＲＰ製で、中央に開けた孔に内管２を通し、四角形状の頂点を外管５の内面と接触させるようにしているので、両管の間隔が保たれる。スペーサ４は、内管２の重量により割れない程度に負担重量を分散させるように、厚みを２mmとした複数のものを、断熱二重配管の長さ方向（紙面奥行き方向）に適当な間隔をおいて配置した。尚、スペーサ４は、四つの頂点近傍に孔７を開けた構造とし、低熱伝導性材料とはいえ僅かながらも侵入する熱の伝導パスをより長くして、入熱をより一層削減できるよう工夫した。尚、実施例１(1)においては、内管・外管共に、溶融めっき工程によって、アルミニウムめっき層６を、管の内外面両方に形成させた一例であるが、真空断熱部を構成する内管の外側、外管の内側のみに、アルミニウム層をコーティングさせた場合、及び、アルミニウム以外の金属を使って、例えば、亜鉛等を用いた場合も、本発明の規定する内容に包含される。

又、図３には、実施例１(2)を示す。この例は断熱二重管の内管２、外管５に金属コーティングをせず、内管２と外管５の内面粗さをRaで0.02μmにしたものである。
超電導ケーブル１は、内管２内に装入されている。内管２と外管５は、BA材を製管したSUS316L鋼管を、それぞれ外側、内側を電解研磨によって、更に表面粗さを小さくしてなり、その内管外側と外管内側全体の表面粗さがRaで0.02μmである表面粗さ調整面９となっている。

内管２と外管５との間隙には、テフロン製の三角形状のスペーサ８を配置し、両管の直接相互接触を防いでいる。スペーサ４は、中央に開けた孔に内管２を通し、三頂点の内何れか二頂点を常に外管５の内面と接触させるようにしているので、両管の間隔が保たれる。スペーサ４は、内管２の重量により割れない程度に負担重量を分散させるように、厚みを２mmとした複数のものを、断熱二重配管の長さ方向（紙面奥行き方向）に適当な間隔をおいて配置した。尚、スペーサ４は、三頂点近傍に孔７を開けた構造とし、低熱伝導性材料とはいえ僅かながらも侵入する熱の伝導パスをより長くして、入熱をより一層削減できるよう工夫した。

又、図４は、実施例１(2)において、更に、外管５の表面粗さ調整面９を保護する表面保護膜としてクロメート皮膜10を形成させた実施例１(3)を示す。これによれば、断熱多重管の製造が完了するまでや、設営までに大気等にさらされる等の大気環境等の影響による表面粗さ調整面９での腐食進行を抑制でき、当初の輻射効果を維持できる。
送電する際には、内管と外管との間の空間を高真空状態とした後、内管内に極低温冷媒（例えば液体窒素）を流し、超電導ケーブルが超電導状態を保持できるようになってから送電する。又、実施例１(1)と、実施例１(2)を組み合わせたような場合も当然ありうる。つまり、外管に金属コーティングとし、内管を表面粗さ調整材にしたり、その逆もありうる。

上記実施例は、二重管構造に関するものであるが、三重以上の多重管構造の場合であっても、基本的な構成要件は同じである。尚、実施例１(3)では表面粗さ調整面の保護皮膜にクロメート皮膜を用いたが、表面粗さ調整面の保護皮膜はこれに限定されず、同様の保護機能を有する膜であれば如何なる種類の皮膜であってもよい。大気等へ放置して保管してあっても、腐食等が実質起きないような素材の場合には、表面粗さ調整面を保護する皮膜は必ずしも必要としない。つまり、易燃性のスーパーインシュレーションを用いない本発明によれば、実施工の際に不可避的に火花等が発生しても、輻射効果を有する構造体を損傷することがない、超電導送電用断熱多重配管の実現が可能である。又、製造コストも安価である。

図５に縦断面図を示す断熱二重管を使って、表面粗さ調整による断熱作用効果の確認試験を行った。図５の断熱二重管は、外管5aは径150Aとし、内管2aは径80Aとし、長さは共に1500mmとし、２mm厚のGFRP製の低熱伝導性スペーサ（図５では図示省略）を３枚、適当な間隔で配置して内管と外管の直接接触を防止しており、外管と内管とは、管軸方向の位相を200mmずらし、両端の開口部を超高真空用蓋フランジ11或いは超高真空用ICF12で封鎖可能とした。外管から突き出た側の内管端から内管内に液体窒素を導入可能である。

試験では、表１に示すように表面粗さ調整の仕様を違えた条件の各々について、内管と外管との間隙を真空に引いてから液体窒素を内管内にゆっくりと時間をかけて封入し、真空を引きながら真空の到達具合がどうなるかを調べた。真空系は同一のものを使用した。真空の具合の評価は、最長14日の試験時間内で真空度が、1.0×10^-7torr以下に到達した場合を○、1.0×10^-6torr超に留まった場合を×、○と×の間の段階（即ち1.0×10^-7torr超1.0×10^-6torr以下）であった場合を△とする三段階分級評価方法にて行った。同一の真空系では到達真空度が高いほど内管への熱エネルギー侵入を防止する効果が大きく、内管が液体窒素温度(77k)であることも相関して、上記三段階（○，△，×）が、真空度の低いほうから順に、内管への熱エネルギー侵入を防止する効果の、十分なレベル、許容し得るレベル、乏しいレベルに対応すると考えられるからである。尚、表１に示す表面粗さについては、管からは粗さ測定試験片が採れないため、管と同一材料の板状片に管と同一の表面粗さ調整を施したものを用意し、これを粗さ試験片として測定した。評価の結果を表１に示す。

試験No.1はスーパーインシュレーションを使った従来例である。スーパーインシュレーションが有機樹脂基の膜であるゆえ、吸着する水分が真空引きに影響を与えるために時間はかかるものの1.0×10^-7torr以下へ到達できる。尚、この例では、外管はSUS316LのBA材で、表面粗さがRaで0.08μmである。

試験No.2〜4が本発明例にあたる。これらの内管はSUS316Lの電解研磨材であり、外面、内面共に表面粗さがRaで0.04μmに調整されたものである。試験No.2は外管がAP材(Acid-Peeling材＝酸洗まま材)であり、やや時間がかかるものの、1.0×10^-6torr以下へ到達できる。試験No.3は外管が電解研磨材であり、外管の外面はBAままの肌でRaが0.07μmであるが、内面が電解研磨されていてRaが0.03μmであり、1.0×10^-7torr以下へ到達できる。試験No.4は外管がAlのポリッシュスキン材であり、Raが0.17μmに調整されており、1.0×10^-7torr以下へ到達できる。

試験No.5は、外管として、低炭鋼（＝低炭素鋼）の酸洗板を製管したものを用い、両面共に酸洗肌でRaが1.3μmと大きいため、1.0×10^-6torr以下へは到達できない。
以上のように、二重管の内管及び/又は外管の内面、外面の少なくとも何れか一方に対し全面に亘って表面粗さをRaで0.2μm以下とすれば、スーパーインシュレーションを用いずに断熱二重管が成立し得る。

本実施例は、超電導送電用断熱二重管に留まらず、断熱多重管への適用可能性も示している。

図５に縦断面図を示す断熱二重管を使って、金属コーティングによる断熱作用効果の確認試験を行った。
試験では、表２に示すように金属コーティングの仕様を違えた条件の各々について、実施例２と同様の方法にて試験及び評価を行った。各条件共、内管はRa0.02μmの電解研磨材とし、外管は金属コーティング形成材とした。評価の結果を表２に示す。

試験No.51は、外管が、酸洗まま状態の低炭鋼にAlめっきを施したもので、Alめっき付着量が少な目のため、到達真空度レベルは△である。試験No.52〜55は、素管下地と金属コーティングの組合せを表２のように違えたが、何れにおいても金属コーティングの片面当たりの付着量が好適範囲（10g/m²以上）内にあるので、評価は○（到達真空度レベルは1.0×10^-7torr以下）である。尚、表２には示していないが、評価が○の試験No.52〜55の中でも、片面当たりの付着量が更なる好適範囲（50g/m²以上）内にある試験No.53〜55では、それを外れる試験No.52に比べ、より短い時間内に、真空度が1.0×10^-7torr以下へ到達できる。

以上のように、二重管の内管及び/又は外管の内面、外面の全面に亘って金属コーティングを、好ましくはその片面当たりの付着量が10g/m²以上、より好ましくは50g/m²以上となるように、形成すれば、スーパーインシュレーションを用いずに断熱二重管が成立し得る。
本実施例は、超電導送電用断熱二重管に留まらず、断熱多重管への適用可能性も示している。

本発明の実施例１(1)を示す横断面図である。 従来技術の例を示す横断面図である。 本発明の実施例１(2)を示す横断面図である。 本発明の実施例１(3)を示す横断面図である。 本発明の実施例２乃至３の試験に用いた断熱二重管を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 超電導ケーブル
２ 内管
2a 内管（径80A）
３ スーパーインシュレーション
４ スペーサ（四角形状）
５ 外管
5a 外管（径150A）
６ アルミニウムめっき層（金属コーティング層）
７ 孔
８ スペーサ（三角形状）
９ 表面粗さ調整面
10 クロメート皮膜（表面保護膜）
11 超高真空用蓋フランジ
12 超高真空用 ICF

Claims (5)

1. 多重管構造の内部に超電導ケーブルが収納され、隣接二重管間隙の少なくとも１つが真空断熱層とされた超電導送電用断熱多重配管において、配管素材に金属コーティングが形成されてなること、及び／又は、配管素材の１本以上が内面、外面の何れか一方又は両方の全面にRaで0.2μm以下の表面粗さを有してなることを特徴とする超電導送電用断熱多重配管。
2. 前記金属コーティングは、アルミニウム、亜鉛、若しくはそれらを含んだ合金からなることを特徴とする請求項１記載の超電導送電用断熱多重配管。
3. 前記隣接二重管間隙に低熱伝導性材料からなるスペーサが配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の超電導送電用断熱多重配管。
4. 前記金属コーティングは、片面当たりの付着量が10g/m²以上の膜であることを特徴とする請求項１〜３の何れか記載の超電導送電用断熱多重配管。
5. 前記10g/m²以上の膜に代えて、50g/m²以上の膜とした請求項４記載の超電導送電用断熱多重配管。

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