JP2010020968A - 超電導ケーブル用フォーマの接続方法、および超電導ケーブル用フォーマの接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】フォーマを構成する素線の絶縁被覆の除去作業性に優れる超電導ケーブル用フォーマの接続方法、およびこの接続方法により形成された超電導ケーブル用フォーマの接続構造を提供する。
【解決手段】絶縁被覆が施された複数の素線を有するフォーマ１１を、接続スリーブ８を介して他のフォーマ（導体端部）１１と接続する。その際、絶縁被覆を溶融半田との接触により除去される材料としたフォーマ１１の端部を、超電導ケーブルの端部から露出する。次いで、フォーマ１１の端部の各素線を半田で一体化することに伴って各素線の絶縁被覆を除去する。そして、接続スリーブ８の一端側にフォーマ１１の端部を挿入した後、接続スリーブ８内に他のフォーマ１１の端部を固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導ケーブル同士や超電導ケーブルと他の機器などを繋ぎ合わせる際、超電導ケーブルに備わるフォーマを接続対象に接続するための超電導ケーブル用フォーマの接続方法、および、この接続方法により形成された超電導ケーブル用フォーマの接続構造に関するものである。

大容量の送電に使用される超電導ケーブルは、例えば、図３に示されるような構成を有する。図３は、この超電導ケーブルの断面図である。この超電導ケーブル１００は、３本のケーブルコア１０を断熱管２０内に収納した構成である。

ケーブルコア１０は、中心から順にフォーマ１１、超電導導体層１２、絶縁層１３、超電導シールド層１４、保護層１５を具えている。導体層１２は、フォーマ１１上に超電導線材（例えば、Ｂｉ系超電導線材）を多層に螺旋状に巻回して構成される。絶縁層１３は半合成絶縁紙などの絶縁紙を巻回して構成される。シールド層１４は、絶縁層１３上に導体層１２と同様の超電導線材を螺旋状に巻回して構成する。そして、保護層１５には絶縁紙などが用いられる。

一方、断熱管２０は、内管２１と外管２２とからなる二重管の間に断熱材(図示せず)が配置され、かつ二重管内が真空引きされた構成である。断熱管２０の外側には、防食層２３が形成されている。そして、内管２１とコア１０の間に形成される空間に液体窒素などの冷媒を充填・循環し、絶縁層１３に冷媒が含浸された状態で使用状態とされる。

このような超電導ケーブル１０同士を接続する場合、両ケーブル１００のケーブルコア１０に備わるフォーマ１１同士の接続に接続スリーブを利用することが行われている。図４は、接続スリーブ８を使用したケーブルコアの接続構造３を示す概略図である。図４に示すように、ケーブルコア１０はその端部が段剥ぎされて、フォーマ１１と超電導導体層１２が露出された状態で接続される。２つのケーブルコア１０のフォーマ１１は、それぞれ接続スリーブ８のフォーマ挿入孔８ｈに挿入されて接続される。また、２つのケーブルコア１０の超電導導体層１２は、接続スリーブ８の外周に配される接続用超電導線材５を介して接続される。

このような接続構造を有するフォーマ１１について、個々に絶縁被覆を施した常電導材料からなる複数本の金属素線を束ね合わせて（特に、撚り合わせて）形成することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。フォーマ１１を複数本の素線を撚り合わせた撚り線とすると、フォーマ１１に交流が流れたときの渦電流損を低減することができる。

特開２００１−３２５８３６号公報

しかし、フォーマを構成する各素線の絶縁被覆を剥ぐ作業が非常に煩雑であった。

フォーマの絶縁被覆を剥ぐには、代表的に２つの方法がある。一つ目は、素線の絶縁被覆をカッターなどの器具を使用し、機械的に除去する方法であり、二つ目は、サンドブラストにより絶縁被覆を除去する方法である。これらの方法はいずれも、フォーマ端部で束ねられた素線をほぐさなければならず、また、各素線の絶縁被覆を剥いだ後、素線を束ねて接続スリーブに挿入できる状態にしなければならない。特に、渦電流損をより低減するために、素線の径を細くする場合（例えば、素線径０．５〜１．０ｍｍ。従来の素線径は、２〜４ｍｍ程度。）、素線をほぐす、絶縁被覆を除去する、素線を束ねるという３つの作業がさらに煩雑になることが予想される。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、フォーマを構成する素線の絶縁被覆の除去作業性に優れる超電導ケーブル用フォーマの接続方法、およびこの接続方法により形成された超電導ケーブル用フォーマの接続構造を提供することにある。

本発明超電導ケーブル用フォーマの接続方法は、絶縁被覆が施された複数の素線を有するフォーマを、接続スリーブを介して他の導体端部と接続する超電導ケーブル用フォーマの接続方法であって、以下の工程を備えることを特徴とする。
前記絶縁被覆を溶融半田との接触により除去される材料としたフォーマの端部を、超電導ケーブルの端部から露出する工程。
前記フォーマの端部の各素線を半田で一体化することに伴って各素線の絶縁被覆を除去する端部処理工程。
前記接続スリーブの一端側にフォーマの端部を挿入する挿入工程。
接続スリーブ内にフォーマの端部を固定する固定工程。

本発明の構成によれば、フォーマを構成する素線の絶縁被覆が半田の溶融に供される熱により除去される材料でできているので、フォーマの端部を半田により一体化するという簡単な作業で各素線の絶縁被覆を一括して除去できる。つまり、絶縁被覆を除去するにあたり個々の素線について作業をする必要がない。このようにフォーマの接続作業を簡素にできるため、このフォーマの接続作業を含めた超電導ケーブルを接続する際の作業性を向上させることができる。特に、フォーマを構成する素線を細径化すると、従来の絶縁被覆の除去方法を用いたフォーマの接続方法では絶縁被覆を除去する手間が素線の数に比例して増加するのに対して、本発明のフォーマの接続方法では絶縁被覆を除去する手間が殆ど変化しない。

上記超電導ケーブル用フォーマの接続方法で形成した本発明超電導ケーブル用フォーマの接続構造は、絶縁被覆が施された複数の素線を有するフォーマと、他の導体端部と、前記フォーマの端部と他の導体端部とを接続する接続スリーブとを備える。そして、前記絶縁被覆は半田の溶融に供される熱により除去される材料からなり、前記接続スリーブ内におけるフォーマの端部は、各素線が半田で一体化されて絶縁被覆が除去されていることを特徴とする。

以下、本発明超電導ケーブル用フォーマの接続方法の好ましい態様について説明する。

超電導ケーブル用フォーマの接続方法において、端部処理工程を挿入工程の前に行っても良いし、端部処理工程を挿入工程の後に行っても良い。

端部処理工程を挿入工程の前に行うと、フォーマの端部処理が容易になるし、フォーマの素線の絶縁被覆が確実に除去されたことを容易に確認できる。この場合、挿入工程後の固定工程において、接続スリーブを外周側から圧縮することで、フォーマと他の導体端部とを容易に接続できる。

一方、端部処理工程を挿入工程の後に行う場合、接続スリーブ内に半田を流し込むことで、接続スリーブ内のフォーマ端部の絶縁被覆を除去して、フォーマ端部を半田で一体化できる。特に、挿入工程の際に、接続スリーブの他端側（フォーマ端部を挿入した側とは反対側）から他の導体端部を挿入すると、後の端部処理工程を実施することでフォーマの端部と他の導体端部とを接続スリーブ内で半田により一体化することができる。その結果、超電導ケーブル用フォーマの接続構造において、フォーマ端部と他の導体端部との機械的な接続が強固になる。半田を接続スリーブ内に導入し易くすると共に、各素線間に半田が回り込み易くするために、接続スリーブに、スリーブの内外に連通する半田注入孔を設けたり、接続スリーブの内周面に軸方向沿いの溝を形成しても良い。

その他、絶縁被覆が施された素線の直径は１ｍｍ以下（さらに渦電流損の低減を図るのであれば０．５〜０．８ｍｍ）としても良い。本発明のフォーマの接続方法によれば、既に述べたように、各素線の絶縁被覆を除去する作業を個々の素線に対して行う必要がないため、素線径が小さくなっても、つまり、フォーマを構成する素線の数が多くなっても、端部処理工程の手間は殆ど変わらない。

本発明超電導ケーブル用フォーマの接続方法によれば、各素線の絶縁被覆を除去する作業を個々の素線に対して行う必要がない。つまり、フォーマを構成する素線の絶縁被覆の除去作業性に優れ、その結果、超電導ケーブルと他の導体との接続の際の作業性も向上する。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。ここでは、超電導ケーブルの中間接続部における超電導ケーブル用フォーマの接続構造を例として説明する。まず、本発明接続構造の説明に先立って、接続対象の超電導ケーブルの構成を説明する。

（実施形態１）
＜超電導ケーブルの構成＞
本発明接続構造に用いる超電導ケーブルの一例として、交流用３心超電導ケーブルを作製した。その超電導ケーブルの構成は、従来技術の説明の際に参照した図３と同様の構成を有する。

このケーブル１００は、図３に示すように、３心のコア１０と、このコア１０を収納する断熱管２０とを有する。

コア１０は、中心から順に、フォーマ１１、クッション層（図示せず）、超電導導体層１２、内部半導電層（図示せず）、絶縁層１３、外部半導電層（図示せず）、超電導シールド層１４、保護層１５を有している。これらの各層のうち、導体層１２とシールド層１４には超電導線材が用いられる。このコア１０を構成する超電導線材は、断熱管２０内とコア１０の間の空間に冷媒（例えば液体窒素）を流通させて、超電導状態に保持される。

フォーマ１１は、交流損失の低減を行えるように、絶縁被覆が施された複数の金属素線（代表的には銅）を有するように構成される。このフォーマ１１は、複数の金属素線を縦添えして束ねたものであっても良いが、複数の素線を撚り合わせた撚り線構造とすることが好ましい。また、絶縁被覆を含まない素線の径は、渦電流損の低減を考慮して、１ｍｍ以下、好ましくは０．８ｍｍ以下とすると良い。素線径の上限は、素線の機械的強度などを考慮して０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。

上述したフォーマ１１を構成する素線の一部は、絶縁被覆を有さないものであっても良い。例えば、複数の素線を撚り合わせて撚り線とし、さらに複数の撚り線を撚り合わせてフォーマ１１を形成する場合、撚り線の中心の位置にある素線は、その周りの素線が絶縁被覆を有していれば他の素線と絶縁されるので、絶縁被覆を有していなくても良い。素線に備わる絶縁被覆は、半田の溶融に供される熱により除去される材料で構成される。その詳しい構成については、後述するフォーマの接続方法を説明する際に述べる。

このフォーマ１１上にクッション層を設けている。クッション層は、カーボン紙もしくは絶縁紙をフォーマ１１上にらせん状に巻きつけることで形成できる。このクッション層により、フォーマ１１表面を平滑化することができ、フォーマ１１と導体層１２の直接接触による損傷を軽減することができる。

導体層１２には、例えば、Ｂｉ２２２３系Ａｇ−Ｍｎシーステープ線材（例えば、厚さ０．２４ｍｍ、幅３．８ｍｍ）を用いることができる。このテープ線材をクッション層の上に多層に巻回して導体層１２を構成する。この導体層１２は、通常、各層で超電導線材の撚りピッチが異なっている。加えて、各層ごと又は複数層ごとに巻き方向を変えることで、各層に流れる電流の均流化を図ることができる。

導体層１２の外周には、内側から順に、内部半導電層、絶縁層１３、外部半導電層が形成されている。内部半導電層と外部半導電層はそれぞれ、導体層１２と絶縁層１３との界面、および絶縁層１３とシールド層１４との界面に微小な空隙が生じることを抑制し、その空隙での部分放電を防止する。これらの半導電層には、カーボン紙を用いることができる。また、絶縁層１３は、例えばクラフト紙とポリプロピレンなどの樹脂フィルムとをラミネートした半合成紙（住友電気工業株式会社製ＰＰＬＰ：登録商標）を用い、内部半導電層の外周に巻回して構成することができる。

上記の外部半導電層の上にはシールド層１４が設けられている。シールド層１４は、導体層１２に用いたものと同様の超電導線材を巻回して形成される。このシールド層１４には、導体層１２とほぼ同じ大きさで逆方向の電流が誘導されることで導体層１２から生じる磁場を実質的に相殺し、外部への磁場の漏洩を防止することができる。

シールド層１４の上には、クラフト紙を巻き付けて形成される保護層１５が設けられている。この保護層１４は、シールド層１４を機械的に保護すると共に、断熱管との間を絶縁させるためのものである。

一方、断熱管２０は、図３に示すように、コルゲート内管２１とコルゲート外管２２とを有するステンレス製の二重管構造である。通常、コルゲート内管２１とコルゲート外管２２との間は空間が形成され、その空間は真空引きされている。真空引きされる空間内には、断熱材（図示せず）となるスーパーインシュレーションが配置され、輻射熱の反射が行なわれる。また、コルゲート外管２２の外側には、防食層２３が形成されている。

＜ケーブルコアの接続構造＞
上記の超電導ケーブルを用いたケーブルコアの接続構造を図１に示す。この図１では、特に、ケーブルコア１０に備わるフォーマ１１の接続構造を説明するために、コア１０に備わるフォーマ１１と超電導導体層１２との接続についてのみ概略的に図示している。

ケーブルコアの接続構造１は、対向して配置される一対のケーブルコア１０の端部が接続されて構成されている。より具体的には、コア１０に備わるフォーマ１１の端部同士が、接続スリーブ８内で突き合わされた状態で電気的に接続されている。

この超電導ケーブル用フォーマの接続にあたっては、以下の工程を順次行う。
［１］ 絶縁被覆を半田の溶融に供される熱により除去される材料としたフォーマの端部を、超電導ケーブルの端部から露出する工程。
［２］ フォーマの端部の各素線を半田で一体化することに伴って各素線の絶縁被覆を除去する端部処理工程。
［３］ 接続スリーブの一端側にフォーマの端部を挿入する挿入工程。
［４］ 接続スリーブ内にフォーマの端部を固定する固定工程。
以下、これらの工程を順次説明すると共に、各工程に備わる構成についても言及する。

［フォーマ端部を露出する工程］
この工程では、超電導ケーブルの端部からケーブルコア１０を露出させ、さらにコア１０の端部を段剥ぎして、フォーマ１１、導体層１２、絶縁層（図示せず）、シールド層（図示せず）を階段状に露出させる。

［端部処理工程］
この工程では、フォーマ１１の端部を半田により一体化させる。端部処理工程に供されるフォーマ１１の素線に備わる絶縁被覆は、既に述べたように、半田の溶融に供される熱により除去される材料で構成される。具体的には、高融点半田が溶融したときの半田自身の熱（約３８０〜４７０℃の範囲）や、融点が低い半田であってもこの半田を溶融させるための加熱部材で加えられる熱（例えば、半田ごてであれば、２５０〜３００℃程度）により除去される材料である。このような材料としては、例えば、ポリウレタン（２３０℃）、ポリウレタンとポリアミドの化合物（２３０℃）、ポリエステル（２５０℃）、ポリエステルとポリアミドの化合物（２５０℃）、ポリエステルイミド（２９０℃）などを挙げることができる（括弧内は耐軟化温度）。

フォーマ１１の端部を半田で一体化するには、フォーマ１１の端部を加熱部材で加熱しつつ、半田を供給することで行っても良いし、半田浴の中にフォーマ１１の端部を浸漬することで行っても良い。フォーマ１１の端部を一体化するにあたっては、半田がまだ柔らかいうちにフォーマ１１の端部をしごいて、その形状を整えるようにしても良い。また、フォーマ１１の端部を一体化するにあたって、端部の各素線間に隙間ができるように端部をほぐすことが好ましい。但し、フォーマ１１の端部をほぐすとはいうものの、従来のように各素線の絶縁被覆に対してカッターなどを作用させることができるほどに端部をほぐす必要はない。また、個々の素線間に確実に隙間ができる程度にまでフォーマ端部の素線をほぐさなくてもよい。ある程度素線の撚り合わせを緩ませることができれば、素線間に溶融半田を回りこませることができるので、端部処理の作業性は非常に良い。

［挿入工程］
この工程では、段剥ぎして一体化した各フォーマ１１の端部を接続スリーブ８の両端から挿入して突き合わせた状態に配置する。接続スリーブ８は、中間部にフォーマ挿入孔８ｈを有する金属筒である。このとき、各フォーマ１１端部は、半田により一体化されているが、フォーマ１１の端部同士は半田で一体化されているわけではない。つまり、本実施形態における半田は、フォーマ１１同士を機械的に接続することには寄与しておらず、専らフォーマ１１端部の素線を一体化することに使用されている。従って、接続スリーブ８として、スリーブ８の内部でフォーマ１１同士が直接接触しないようにフォーマ挿入孔８ｈの軸方向中間部を区画する区画部を有するものを使用しても良い。

［固定工程］
この工程では、フォーマ挿入孔８ｈに対応する接続スリーブ８の外周位置を圧縮し、接続スリーブ８内にフォーマ１１の端部を固定する。この接続スリーブ８を圧縮した際、フォーマ１１の端部が半田で一体化されているので、フォーマ１１を構成する素線の径が細くても断線し難い。

［以降の工程］
フォーマ１１の端部同士の接続が終了したら、２つのケーブルコア１０の超電導導体層１２同士を接続させる。具体的には、接続スリーブ８の軸方向に接続用超電導線材５を縦添えに配置して、この超電導線材５を介して２つの導体層１２を接続する。接続用超電導線材５と導体層１２とは、導電性接着層７により接続されている。超電導ケーブル同士を接続させるための以降の工程は、従来と同様であるので説明を省略する。

以上説明した実施形態１の構成によれば、フォーマ１１を構成する各素線に備わる絶縁被覆を除去する工程が簡単で非常に短時間に終了する。そのため、フォーマ１１の接続を含む超電導ケーブルの接続作業性も向上する。

（実施形態２）
次いで、実施の形態１に対して端部処理工程と挿入工程の順番を入れかえた超電導ケーブル用フォーマの接続方法を説明する。具体的には、フォーマ端部を露出する工程→挿入工程→端部処理工程→固定工程の順に行う。以下、図面を参照しつつ実施形態１とは異なる点を中心に説明する。

図２は、実施形態２に係る超電導ケーブルのケーブルコアの接続構造２を示す概略図である。この図２と、実施形態１に係る図１との相違点は、接続スリーブ８内部の中間位置で対向するフォーマ１１の端部同士が半田により一体化していることである。

この実施形態では、フォーマ１１の端部を露出した後、露出した端部を接続スリーブ８に挿入する。このとき、フォーマ１１の端部を接続スリーブ８のフォーマ挿入孔８ｈに挿入できる程度にほぐしておくことが好ましい。フォーマ１１の端部をほぐしておくと、次の端部処理工程の際に、フォーマ１１の各素線間に半田が行きわたり易い。

挿入工程の後は、フォーマ１１とフォーマ挿入孔８ｈとの隙間から半田を流し込むことで、フォーマ１１の端部の各素線に備わる絶縁被覆を半田の熱により除去することができる。

ここで、接続スリーブ８内への半田の導入を容易にする構成として、例えば、図２の仮想線（二点鎖線）に示すような半田注入孔８１を接続スリーブ８に形成しても良い。この半田注入孔８１は、接続スリーブの内外に連通しており、この孔８１を利用することでスリーブ８の外部から内部に向かって容易に半田を流し込むことができる。孔８１の位置は、フォーマ１１の突き合わせ部分から外れた位置とすると、フォーマ１１同士の接続強度が低下し難い。また、接続スリーブ８の内周面に、スリーブ８の軸方向沿いの溝が形成されていても、半田の導入が容易になる。

最後に、接続スリーブ８を外周側から圧縮してスリーブ８内にフォーマ１１の端部を固定する。

以上説明した実施形態２の構成によっても、フォーマ１１を構成する各素線の絶縁被覆を簡単に除去することができるので、超電導ケーブルの接続作業を短時間で効率よく行うことができる。また、接続スリーブ８内で突き合わされた両フォーマ１１が半田で一体化しているので、機械的にも電気的にもより確実に両フォーマ１１同士を接続できる。

なお、本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。例えば、本発明の実施形態は、超電導ケーブルの端末構造における超電導ケーブル用フォーマと常電導の導体端部との接続であっても良い。

本発明超電導ケーブル用フォーマの接続方法は、特に、複数の超電導ケーブルを連結して形成される超電導ケーブル線路の形成の際に好適に利用することができる。

実施形態１に係る超電導ケーブル用フォーマの接続状態を示す概略図である。 実施形態２に係る超電導ケーブル用フォーマの接続状態を示す概略図である。 ３心のケーブルコアを備える超電導ケーブルの断面図である。 従来の超電導ケーブル用フォーマの接続状態を示す説明図である。

符号の説明

１００ 超電導ケーブル
１０ ケーブルコア １１ フォーマ １２ 超電導導体層
１３ 絶縁層 １４ 超電導シールド層 １５ 保護層
２０ 断熱管 ２１ 内管 ２２ 外管 ２３ 防食層
１，２，３ ケーブルコアの接続構造
５ 超電導線材 ７ 導電性接着層
８ 接続スリーブ ８ｈ フォーマ挿入孔 ８１ 半田注入孔

Claims (8)

1. 絶縁被覆が施された複数の素線を有するフォーマを、接続スリーブを介して他の導体端部と接続する超電導ケーブル用フォーマの接続方法であって、
   前記絶縁被覆を溶融半田との接触により除去される材料としたフォーマの端部を、超電導ケーブルの端部から露出する工程と、
   前記フォーマの端部の各素線を半田で一体化することに伴って各素線の絶縁被覆を除去する端部処理工程と、
   前記接続スリーブの一端側にフォーマの端部を挿入する挿入工程と、
   接続スリーブ内にフォーマの端部を固定する固定工程とを備えることを特徴とする超電導ケーブル用フォーマの接続方法。
2. 端部処理工程を挿入工程の前に行うことを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル用フォーマの接続方法。
3. 端部処理工程を挿入工程の後に行うことを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル用フォーマの接続方法。
4. 挿入工程は、さらに接続スリーブの他端側に他の導体端部を挿入する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の超電導ケーブル用フォーマの接続方法。
5. 絶縁被覆が施された素線の直径が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導ケーブル用フォーマの接続方法。
6. 固定工程で接続スリーブの圧縮を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導ケーブル用フォーマの接続方法。
7. 絶縁被覆が施された複数の素線を有するフォーマと、他の導体端部と、前記フォーマの端部と他の導体端部とを接続する接続スリーブとを備える超電導ケーブル用フォーマの接続構造であって、
   前記絶縁被覆は溶融半田との接触により除去される材料からなり、
   前記接続スリーブ内におけるフォーマの端部は、各素線が半田で一体化されて絶縁被覆が除去されていることを特徴とする超電導ケーブル用フォーマの接続構造。
8. さらに前記フォーマの端部と他の導体端部が接続スリーブ内で半田により一体化されていることを特徴とする請求項７に記載の超電導ケーブル用フォーマの接続構造。

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