JP2011076924A

JP2011076924A - 超電導ケーブル

Info

Publication number: JP2011076924A
Application number: JP2009228401A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Oya; 正義大屋
Original assignee: International Superconductivity Technology Center; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: International Superconductivity Technology Center; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP5385746B2

Abstract

【課題】交流損失が小さい超電導ケーブル、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】超電導ケーブル1は、磁性材料からなる磁性基板上に超電導相が形成された薄膜線材120を螺旋状に巻回してなる多層構造の超電導線材層(超電導導体層12,超電導シールド層14)を具える。各超電導線材層は、薄膜線材120を巻き付け半径R_(n)(m)、巻き付けピッチP_(n)(m)で巻回することで形成されている。n層目の超電導線材層に実効値I_(n)(Arms)の交流電流が流されたときに、この層の外側に形成される外側磁場をB_(n)out(T)、内側に形成される内側磁場をB_(n)in(T)とし、B_(n)out＞B_(n)inを満たすとき、薄膜線材120の超電導相が外周側を向いて巻回され、B_(n)out＜B_(n)inを満たすとき、薄膜線材120の超電導相が内周側を向いて巻回されていることで、交流損失が小さい。
【選択図】図1

Description

本発明は、基板上に超電導相が形成された薄膜線材を螺旋状に巻回してなる超電導線材層を具える超電導ケーブル、及びその製造方法に関するものである。特に、交流損失が小さい超電導ケーブルに関するものである。

電力供給路を構成する電力ケーブルとして、超電導ケーブルが開発されつつある。超電導ケーブルは、代表的には、内周側から順にフォーマ、超電導導体層、電気絶縁層、超電導シールド層を有するケーブルコアと、このケーブルコアを収納すると共に、液体窒素といった冷媒が満たされる断熱管とを具える。

上記超電導導体層及び上記超電導シールド層は、代表的には、超電導相を具えるテープ状の超電導線材を螺旋状に巻回して構成される。超電導線材には、Bi2223といったBi系酸化物超電導相からなるフィラメントが銀などの安定化材中に埋設されたBi系超電導線材や、基板上にRE123といったRE系酸化物超電導相(RE:希土類元素)が成膜されたRE系超電導線材が挙げられる(特許文献1参照)。

上記RE系超電導線材は、超電導相の厚さが数μm程度と非常に薄く、薄膜線材と呼ばれる。薄膜線材は、上記Bi系超電導線材と比較して平行交流磁場に対する交流損失が小さく、損失が少ない交流電力供給路の実現に寄与することができると期待される。

上記超電導導体層や超電導シールド層は、上記薄膜線材を螺旋状に巻回した超電導線材層により構築される。所望の電流容量に応じて、単層構造又は多層構造とする。多層構造の場合、各超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相の向きが同じ側(内周側又は外周側)になるように、上記薄膜線材を巻回している(特許文献1参照)。

特開2007-188844号公報

しかし、上記薄膜線材を用いた超電導ケーブルであっても、交流損失が増加することがある。
ここで、上記基板として、磁性材料から構成された磁性基板を利用することがある。磁性基板は、配向性がよく、超電導相の成膜が容易である。しかし、磁性基板を具える薄膜線材を用いた超電導ケーブルでは、当該磁性基板に磁場が印加されることで交流損失(主としてヒステリシス損)が発生し、超電導ケーブルの交流損失が増加する。

そこで、本発明の目的の一つは、磁性基板を具える薄膜線材を用いていながら、交流損失が小さい超電導ケーブルを提供することにある。また、本発明の他の目的は、交流損失が小さい超電導ケーブルの製造に適した超電導ケーブルの製造方法を提供することにある。

磁性基板を具える薄膜線材により形成された超電導線材層には、この層に流す交流電流値(実効値I_(n)(Arms))、この薄膜線材の巻き付け半径R_(n)(m)、及び巻き付けピッチP_(n)(m)に応じた磁場が形成される。より詳しくは、上記超電導線材層には、超電導ケーブルにおける径方向の磁場(以下、径方向磁場と呼ぶ)、及び超電導ケーブルにおける軸方向の磁場(以下、軸方向磁場と呼ぶ)が形成される。特に、多層構造の超電導線材層である場合、各超電導線材層には、その外側及び内側のそれぞれに、径方向磁場と軸方向磁場との合成磁場(以下、外側磁場、内側磁場と呼ぶ)が形成される。

そして、本発明者が調べたところ、外側磁場と内側磁場との関係に応じて、薄膜線材の超電導相の向きを調整することで、交流損失を小さくすることができる、との知見を得た。或いは、薄膜線材の超電導相の向きを予め決定しておき、外側磁場と内側磁場とが特定の関係となるように、巻き付けピッチを決定することで、交流損失を小さくすることができる、との知見を得た。本発明は、上記知見に基づくものである。

本発明の超電導ケーブルは、基板上に超電導相が形成された薄膜線材を螺旋状に巻回してなる超電導線材層を具える。上記超電導線材層の少なくとも一層は、上記基板が磁性材料からなる薄膜線材を巻き付け半径R_(n)(m)、巻き付けピッチP_(n)(m)で巻回することで形成され、かつ以下の条件を満たす巻回面調整層である。上記巻回面調整層は、この層に実効値I_(n)(Arms)の交流電流が流されたときに、この層の外側に形成される磁場を外側磁場:B_(n)out(T)、この層の内側に形成される磁場を内側磁場:B_(n)in(T)とし、B_(n)out＞B_(n)inを満たすとき、上記薄膜線材の超電導相が外周側を向いて巻回されており、B_(n)out＜B_(n)inを満たすとき、上記薄膜線材の超電導相が内周側を向いて巻回されている層である。

上記超電導線材層がN層構造であるとき(N＝1,2,3…)、n層目の超電導線材層(n＝1,2,3,…,N)の外側磁場:B_(n)out、及び内側磁場:B_(n)inは、以下の数式(1),(2)で表される。μ₀は、真空の透磁率(μ₀＝4π×10^-7)である。

特に、N＝1のとき、即ち、超電導線材層が単層構造である場合、この層の径方向磁場をB_r、軸方向磁場をB_aとすると、数式(1),(2)から、B_(n)out＝B_r、B_(n)in＝B_aとなる。そして、B_r＞B_aを満たすとき、上記薄膜線材の超電導相が外周側を向いて巻回された超電導線材層、及び、B_r＜B_aを満たすとき、上記薄膜線材の超電導相が内周側を向いて巻回された超電導線材層は、上述した巻回面調整層である。

上記巻回面調整層は、B_(n)out＞B_(n)in(B_r＞B_a)を満たすとき、上記薄膜線材の超電導相が外周側を向いている、即ち、磁性基板は磁場が小さい内周側を向いており、B_(n)out＜B_(n)in(B_r＜B_a)を満たすとき、上記薄膜線材の超電導相が内周側を向いている、即ち、磁性基板は磁場が小さい外周側を向いている。そのため、本発明超電導ケーブルは、磁性基板を具える薄膜線材からなる超電導線材層(巻回面調整層)を具えていながらも、この層に形成される磁場に応じて、上述のように当該層を構成する薄膜線材の超電導相の向きが調整されていることで、交流損失が小さくなる。詳しくは、多層構造の超電導線材層を具える場合、各超電導線材層の内側磁場と外側磁場との関係に応じて、単層構造の超電導線材層を具える場合、径方向磁場と軸方向磁場との関係に応じて、当該超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相の向きが調整されていることで、交流損失を小さくすることができる。

一方、ある超電導線材層の外側磁場と内側磁場とが等しい場合、即ち、B_(n)out＝B_(n)in(B_r＝B_a)である場合、薄膜線材の磁性基板が内周側及び外周側のいずれを向いていても、磁場の影響の差が実質的に無い。従って、この場合、当該薄膜線材の超電導相の向きは内周側でも外周側でもよい。

以下、本発明超電導ケーブルをより詳細に説明する。
上記薄膜線材は、金属材料からなる基板と、基板上に成膜された超電導相と、超電導相の上に銅や銀及びこれらの合金といった良導体からなる安定化層とを具える多層構造のものが代表的である。

上記超電導相は、冷媒として液体窒素を使用することができ、臨界電流が高い高温酸化物超電導相、より具体的にはREBa₂Cu₃O_x(RE123)といったRE系酸化物超電導相(RE:例えば、Y,Ho,Gd)が挙げられる。

上記巻回面調整層を構成する薄膜線材の基板は少なくとも、磁性材料、特に強磁性体からなる磁性基板とする。強磁性体は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、Ni-W合金といったニッケル合金、珪素鋼、パーマロイ、フェライト、強磁性ステンレス(例、SUS430)などが挙げられる。磁性基板は、上記RE系酸化物超電導相の配向性に優れることから、薄膜線材の製造性に優れる。

本発明超電導ケーブルに具える超電導線材層は、上述のように単層でも多層でもよく、巻回面調整層も単層でも多層でもよい。例えば、超電導ケーブルが多層の超電導線材層を具えており、そのうちの一部が巻回面調整層以外の超電導線材層である場合、この超電導線材層を構成する薄膜線材の基板は、上記磁性材料で構成されていなくてもよい。例えば、ハステロイ(登録商標)といった非磁性材料から構成される基板でもよい。

本発明の一形態として、上記超電導ケーブルが、上記超電導線材層が多層に積層された超電導層を具える場合、上記超電導層を構成する過半数の超電導線材層が上記巻回面調整層である形態が挙げられる。上記超電導層は、超電導導体層や超電導シールド層が挙げられる。

多層のうちの過半数の超電導線材層が上記巻回面調整層であることで、各巻回面調整層を構成する薄膜線材の磁性基板に印加される磁場を低減することができるため、交流損失を更に小さくすることができる。

但し、印加される磁場に応じて超電導相の向きを設定することで、上記超電導層に具える各巻回面調整層を構成する薄膜線材の超電導相の向きがばらばらになることがある。これに対し、上記超電導層を構成する全ての超電導線材層が、各超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相が同じ側を向いて巻回された形態が好ましい。全ての超電導相が、例えば、内周側を向いている場合、曲げに伴う臨界電流Icの低下を抑制でき、外周側を向いている場合、端末処理を行い易い。

更に、上述のように超電導相の向きが揃っている上に、上記超電導層を構成する全ての超電導線材層が上記巻回面調整層であると、上述のように臨界電流Icの低下を抑制したり、端末処理を容易に行えたりする上に、交流損失をより小さくすることができる。

上記構成を具える本発明超電導ケーブルは、例えば、以下の本発明超電導ケーブルの製造方法により製造することができる。本発明の超電導ケーブルの製造方法は、基板上に超電導相が形成された薄膜線材を螺旋状に巻回して超電導線材層を具える超電導ケーブルを製造する方法であり、上記超電導線材層の少なくとも一層を形成するにあたり、以下のようにする。
まず、上記基板が磁性材料からなる薄膜線材を用意し、当該薄膜線材の巻き付け半径R_(n)(m)、巻き付けピッチP_(n)(m)、及びこの層に流す交流電流の実効値I_(n)(Arms)を決定する。そして、上記巻き付け半径R_(n)(m)及び巻き付けピッチP_(n)(m)により求められる当該超電導線材層の外側に形成される磁場を外側磁場:B_(n)out(T)、及び当該超電導線材層の内側に形成される磁場を内側磁場:B_(n)in(T)とするとき、
B_(n)out＞B_(n)inを満たす場合、当該超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相が外周側を向くように当該薄膜線材を巻回し、
B_(n)out＜B_(n)inを満たす場合、当該超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相が内周側を向くように当該薄膜線材を巻回する。

本発明製造方法では、上述のように超電導線材層に形成される内側磁場と外側磁場との関係に応じて、この層を形成する薄膜線材の超電導相の向きを決定し、この決定した向きに応じて薄膜線材を螺旋状に巻回する。このように薄膜線材の磁性基板に印加される磁場による損失をも考慮してケーブル設計を行うことで、従来よりも交流損失が小さい本発明超電導ケーブルを製造することができる。

別の製造方法として、例えば、以下の本発明超電導ケーブルの製造方法が挙げられる。この本発明の超電導ケーブルの製造方法は、基板上に超電導相が形成された薄膜線材を螺旋状に巻回して超電導線材層を具える超電導ケーブルを製造する方法であり、上記超電導線材層の少なくとも一層を形成するにあたり、以下のようにする。
まず、上記基板が磁性材料からなる薄膜線材を用意し、当該薄膜線材の巻き付け半径R_(n)(m)、当該薄膜線材の超電導相の向き、及びこの層に流す交流電流の実効値I_(n)(Arms)を決定する。そして、上記薄膜線材の巻き付けピッチをP_(n)(m)、この巻き付けピッチP_(n)(m)及び上記巻き付け半径R_(n)(m)により求められる当該超電導線材層の外側に形成される磁場を外側磁場:B_(n)out(T)、及び当該超電導線材層の内側に形成される磁場を内側磁場:B_(n)in(T)とするとき、
上記超電導相が外周側を向いた薄膜線材については、B_(n)out＞B_(n)inを満たすように当該薄膜線材の巻き付けピッチを決定し、
上記超電導相が内周側を向いた薄膜線材については、B_(n)out＜B_(n)inを満たすように当該薄膜線材の巻き付けピッチを決定する。

本発明製造方法では、上述のように薄膜線材の超電導相の向きを決定しておき、この薄膜線材から形成される超電導線材層の内側磁場及び外側磁場が特定の関係を満たすように、この薄膜線材の巻き付けピッチを決定し、この決定した巻き付けピッチに応じて薄膜線材を螺旋状に巻回する。このように薄膜線材の磁性基板に印加される磁場による損失をも考慮してケーブル設計を行うことで、従来よりも交流損失が小さい本発明超電導ケーブルを製造することができる。

本発明超電導ケーブルは、交流損失が小さい。本発明超電導ケーブルの製造方法は、交流損失が小さい超電導ケーブルを製造することができる。

図1は、実施形態1の超電導ケーブルの概略構成を示す斜視図である。図2は、RE系酸化物超電導相を具える薄膜線材の概略構成を示す模式断面図である。

(実施形態1)
以下、図1,2を参照して実施形態1の超電導ケーブル1を説明する。
[全体構成]
超電導ケーブル1は、3心のケーブルコア10が撚り合わされて一つの断熱管20に収納された、3心一括型の三相交流用ケーブルである。ケーブルコア10は、超電導線材から構成された超電導導体層12及び超電導シールド層14とを具える。超電導線材は、基板121(図2)上に超電導相122(図2)が形成された薄膜線材120である(図2)。この超電導ケーブル1の特徴とするところは、薄膜線材120の超電導相122の向きにある。以下、各構成をより詳細に説明する。

[断熱管]
断熱管20は、内管21と外管22とからなる二重構造管であり、内管21と外管22との間が真空引きされた真空断熱構造である。内管21内には、液体窒素といった冷媒が充填され、この冷媒によりケーブルコア10の超電導導体層12及び超電導シールド層14が冷却されて、超電導状態に維持される。内管21と外管22との間には、スーパーインシュレーションといった断熱材23や、両管21,22の間隔を保持するスペーサ(図示せず)が配置される。外管22の外周には、ポリ塩化ビニルといった耐食性に優れる材料を押出して形成した防食層24を具える。

[ケーブルコア]
各ケーブルコア10は、中心から順にフォーマ11、超電導導体層12、電気絶縁層13、超電導シールド層14、常電導シールド層15、保護層16を具える。

＜フォーマ＞
フォーマ11は、超電導導体層12の支持体として機能する他、超電導ケーブル1では、短絡や地絡などの事故時に瞬間的に生じる大きな事故電流を分流するための流路に利用される。このようなフォーマ11は、銅やアルミニウムなどの常電導材料にて形成された中実体や中空体(管体)を利用することができる。ここでは、フォーマ11は、ポリ塩化ビニル(PVC)やエナメルなどの絶縁被覆を具える銅線を複数本撚り合わせて構成された中実体としている。撚り線構造であることで、交流電力の送電時における渦電流損の低減や曲げ特性に優れるといった効果が得られる。

上記フォーマ11の外周にクッション層を設けてもよい。クッション層は、例えば、クラフト紙といった絶縁紙や、クラフト紙とプラスチックとを複合した半合成絶縁紙(例えば、PPLP(住友電気工業株式会社登録商標))からなる絶縁性テープを巻回することで形成することができる。クッション層を具えることで、超電導導体層12を形成し易い上に、フォーマ11を構成する銅線により超電導導体層12が損傷することを防止することができる。

＜超電導導体層、超電導シールド層＞
超電導導体層12及び超電導シールド層14は、薄膜線材120を単層又は多層に螺旋状に巻回することで構成されている。超電導シールド層14は、通常運転時、超電導導体層12に流れる電流(導体電流)と実質的に同じ大きさの誘導電流が流され、この誘導電流がつくる磁界により導体電流がつくる磁界を打ち消して、導体電流による磁界が外部に漏れることを抑制する機能を有する。

薄膜線材120は、図2に示すように、Ni-W合金といった磁性材料からなる基板121の上に、YSZ(イットリア安定化ジルコニア),MgOといった酸化物からなる中間層(図示せず)を介して、YBCO,HoBCO,GdBCOといったRE系酸化物からなる超電導相122が形成され、この超電導相122を覆うように銀や銅といった常電導材料からなる安定化層123を具える。薄膜線材120は、RE系酸化物超電導相を具える公知の薄膜線材を利用することができる。

ここでは、超電導導体層12及び超電導シールド層14のいずれも、薄膜線材120を螺旋状に巻回して形成された超電導線材層が積層された多層構造である(超電導導体層12:四層、超電導シールド層14:二層)。各超電導線材層の層間には、クラフト紙などの絶縁紙を巻回した層間絶縁層125が形成されている。超電導導体層12及び超電導シールド層14のいずれも、薄膜線材120からなる部分に加えて層間絶縁層125を含むことを許容する。

超電導導体層12を構成する超電導線材の数や超電導線材層の数は、所望の電流容量に応じて選択することができる。また、超電導シールド層14を構成する超電導線材の数や超電導線材層の数は、上記超電導導体層12に応じて適宜選択することができる。

なお、超電導導体層12の直上に、カーボン紙などを巻回して内側半導電層を設けることができる。また、超電導シールド層14の上に、銅といった常電導材料からなる金属テープを巻回して、常電導シールド層15を設けることができる。常電導シールド層15は、事故時において誘導電流の分流路として機能させることができる。

＜電気絶縁層＞
電気絶縁層13は、上記超電導導体層12(或いは内側半導電層)の上に、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙などの絶縁性テープを巻回することで形成されている。ここでは、電気絶縁層13は、PPLP(住友電気工業株式会社登録商標)により構成されている。更に、電気絶縁層13の直上に、カーボン紙などを巻回して外側半導電層を設けることができる。

＜保護層＞
超電導シールド層14(或いは常電導シールド層15)の外周に、超電導シールド層14を機械的に保護するための保護層16を具える。保護層16は、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙などの絶縁性テープを巻回することで形成することができる。

＜巻回面調整層＞
そして、超電導ケーブル1の最も特徴とするところは、超電導導体層12及び超電導シールド層14を構成する各超電導線材層がいずれも、巻回面調整層である点にある。

具体的には、超電導導体層12及び超電導シールド層14を構成する4層の超電導線材層のうち、n層目の層はそれぞれ、薄膜線材120を巻き付け半径R_(n)(m)、巻き付けピッチP_(n)(m)で巻回することで形成されている(n=1,2,3,4)。巻き付け半径R_(n)(m)及び巻き付けピッチP_(n)(m)は、適宜選択することができる。特に、巻き付けピッチP_(n)(m)は、4層の超電導線材層に流れる電流量が均一化されるように(均流化されるように)選択することが好ましい。

更に、上記4層の超電導線材層のうち、n層目の層に実効値I_(n)(Arms)の交流電流が流されたときに、当該層の外側に形成される外側磁場をB_(n)out(T)、当該層の内側に形成される内側磁場をB_(n)in(T)とする。このとき、超電導導体層12及び超電導シールド層14を構成する4層の超電導線材層はいずれも、B_(n)out＞B_(n)inを満たす場合、当該層を構成する薄膜線材120の超電導相121が外周側を向いて巻回され、B_(n)out＜B_(n)inを満たす場合、当該層を構成する薄膜線材120の超電導相が内周側を向いて巻回されている。ここでは、このような超電導線材層を巻回面調整層と呼ぶ。

外側磁場B_(n)out(T)及び内側磁場B_(n)in(T)は、上述した数式(1),(2)により算出される。また、超電導シールド層14の場合、交流電流の実効値を負とすることで、超電導導体層12の場合と同様に考えることができる。

上記超電導導体層12及び超電導シールド層14を構成する4層の超電導線材層の各層を構成する薄膜線材120の超電導相121の向きは、上記特定の条件を満たす範囲で、(1層目,2層目,3層目,4層目)＝(外,外,外,外),(外,外,内,内),…などの16通りの組み合わせを取り得る。

但し、端末処理の容易性や曲げに伴う臨界電流Icの低減の抑制などを考慮すると、超電導相の向きが交互に異なる形態よりも、隣り合う超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相の向きが等しいことが好ましく、全ての超電導相の向きが揃っていることがより好ましい。

上記巻回面調整層からなる超電導導体層12や超電導シールド層14は、上記外側磁場と内側磁場との関係に基づいて、上記各超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相の向きを決めて、この決定した向きとなるように薄膜線材を螺旋状に巻回することで形成することができる。

或いは、超電導導体層12や超電導シールド層14は、各超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相の向きを決定しておき、決定した向きの場合に、外側磁場と内側磁場とが上記特定の関係を満たすように巻き付けピッチP_(n)(m)を決めて、この決定した巻き付けピッチで薄膜線材を螺旋状に巻回することで形成することができる。

[効果]
上記構成を具える超電導ケーブル1は、超電導導体層12及び超電導シールド層14を構成する各超電導線材層が上述した巻回面調整層であることで、磁性基板を具える薄膜線材を利用していながらも、この磁性基板が磁場の影響を受け難いように薄膜線材が巻回されていることで、交流損失が小さい。

＜変形例1＞
実施形態1では、三心一括型の形態を説明したが、1心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した単心型、2又は4以上の複数心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した多心一括型としてもよい。一つの断熱管に収納されるケーブルコアの数は特に問わない。

＜変形例2＞
実施形態1では、超電導導体層及び超電導シールド層の全てが巻回面調整層である形態を説明したが、超電導導体層の一部のみ、超電導シールド層の一部のみが巻回面調整層である形態とすることができる。また、超電導導体層及び超電導シールド層の一方にのみ巻回面調整層を具える形態とすることができる。少なくとも一層の超電導線材層が巻回面調整層であることで交流損失が小さい超電導ケーブルとすることができる。但し、実施形態1のように全ての超電導線材層が巻回面調整層であると、交流損失が最も小さい。

[実施例]
二層構造の超電導線材層を具える超電導ケーブルを対象として、各超電導線材層を構成する超電導線材の巻き付け半径、巻き付けピッチ、各超電導線材層に流す交流電流の実効値、及び各超電導導体層を構成する超電導線材の超電導相の向きを種々変更した試料を作製し、各試料の磁場を調べた。

各試料に具える各超電導線材層を構成する超電導線材として、図2に示す薄膜線材を利用し、表1に示す巻き付けピッチでこの薄膜線材を螺旋状に巻回した場合を想定する。ここでは、各試料は、分かり易いように、電気絶縁層、超電導シールド層、保護層などを省略し、フォーマと超電導線材層とを具えた簡略な形態としている。いずれの試料についても、フォーマは、銅撚り線構造とし、外径:60.0mmとした。

また、ここでは、上記超電導ケーブルに実効値1kArmsの交流電流を通電する場合において、均流化されて各超電導線材層のそれぞれに500Armsの交流電流が流れた場合を想定する。そして、この交流電流が流れたときの各超電導線材層に印加される径方向磁場及び軸方向磁場を合成して、各超電導線材層の内側に印加される内側磁場B_(n)in、及び外側に印加される外側磁場B_(n)outを求めた。その結果を表1に示す。1層目の巻き付け半径:30.0mm、2層目の巻き付け半径:30.3mmである。なお、表1の超電導導体層において、(S)はS巻き、(Z)はZ巻きを示す。

多層構造の超電導線材層である場合に薄膜線材の巻き方向が同じであると、軸方向磁場を強くすることができ、巻き方向が異なると、軸方向の磁場を弱める(打ち消し合う)ことができる。従って、巻き方向が異なる超電導線材層を具える場合、各超電導線材層の軸方向磁場は、一方の巻き方向における軸方向磁場を正の値(+)としたとき、他方の巻き方向における軸方向磁場を負の値(-)として算出する。

表1に示すように巻き付けピッチや巻き方向を変更することで、n層目の内側磁場、及び外側磁場が変化することが分かる。そして、B_(n)out＞B_(n)inを満たすとき、各超電導線材層の超電導相が外周側を向いていると、即ち、磁性基板が内周側を向いていると磁場の影響を受け難く、B_(n)out＜B_(n)inを満たすとき、各超電導線材層の超電導相が内周側を向いていると、即ち、磁性基板が外周側を向いていると、磁場の影響を受け難くすることができることが分かる。

具体的には、試料No.1では、1層目の磁場の関係がB_(1)in＞B_(1)out、2層目の磁場の関係がB_(2)in＞B_(2)outであり、いずれの層も内側磁場が大きい。従って、試料No.1では、薄膜線材の超電導相を内周側に向ける、即ち、磁性基板を外周側に向けることで、交流損失を小さくすることができる。

試料No.2では、1層目の磁場の関係がB_(1)in＜B_(1)out、2層目の磁場の関係がB_(2)in＞B_(2)outであり、1層目は外側磁場が大きく、2層目は内側磁場が大きい。従って、試料No.2では、1層目の薄膜線材の超電導相を外周側に向ける、即ち、磁性基板を内周側に向け、2層目の薄膜線材は、超電導相を内周側に向ける、即ち、磁性基板を外周側に向けることで、交流損失を小さくすることができる。

試料No.3では、1層目の磁場の関係がB_(1)in＜B_(1)out、2層目の磁場の関係がB_(2)in＜B_(2)outであり、いずれの層も外側磁場が大きい。従って、試料No.3では、薄膜線材の超電導相を外周側に向ける、即ち、磁性基板を内周側に向けることで、交流損失を小さくすることができる。

なお、各超電導線材層を構成する薄膜線材超電導相の向きを決めておき、当該超電導相が外周側向きの場合、B_(n)out＞B_(n)inを満たすように、内周側向きの場合、B_(n)out＜B_(n)inを満たすように当該薄膜線材の巻き付けピッチを決定することでも、交流損失を低減することができる。

上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、超電導層に具える超電導線材層の数、各超電導線材層を構成する薄膜線材の巻き付け半径及び巻き付けピッチ、交流電流の実効値などを適宜変更することができる。

本発明超電導ケーブルは、交流電力の送電に利用される超電導ケーブル線路の構成部材に好適に利用することができる。本発明超電導ケーブルの製造方法は、上記本発明超電導ケーブルの製造に好適に利用することができる。

1 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 電気絶縁層
14 超電導シールド層 15 常電導シールド層 16 保護層
20 断熱管 21 内管 22 外管 23 断熱材 24 防食層
120 薄膜線材 121 基板 122 超電導相 123 安定化層
125 層間絶縁層

Claims

基板上に超電導相が形成された薄膜線材を螺旋状に巻回してなる超電導線材層を具える超電導ケーブルであって、
前記超電導線材層の少なくとも一層は、
前記基板が磁性材料からなる薄膜線材を巻き付け半径R_(n)(m)、巻き付けピッチP_(n)(m)で巻回することで形成されており、
この層に実効値I_(n)(Arms)の交流電流が流されたときに、この層の外側に形成される磁場をB_(n)out(T)、この層の内側に形成される磁場をB_(n)in(T)とし、
B_(n)out＞B_(n)inを満たすとき、当該薄膜線材の超電導相が外周側を向いて巻回されており、
B_(n)out＜B_(n)inを満たすとき、当該薄膜線材の超電導相が内周側を向いて巻回されている巻回面調整層であることを特徴とする超電導ケーブル。
前記超電導ケーブルは、前記超電導線材層が多層に積層された超電導層を具え、
前記超電導層を構成する過半数の超電導線材層が前記巻回面調整層であることを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブル。
前記超電導層を構成する全ての超電導線材層は、各超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相が同じ側を向いて巻回されていることを特徴とする請求項2に記載の超電導ケーブル。
基板上に超電導相が形成された薄膜線材を螺旋状に巻回して超電導線材層を具える超電導ケーブルを製造する超電導ケーブルの製造方法であって、
前記超電導線材層の少なくとも一層について、前記基板が磁性材料からなる薄膜線材を用意し、当該薄膜線材の巻き付け半径R_(n)(m)、巻き付けピッチP_(n)(m)、及びこの層に流す交流電流の実効値I_(n)(Arms)を決定し、
前記巻き付け半径R_(n)(m)及び巻き付けピッチP_(n)(m)により求められる当該超電導線材層の外側に形成される磁場をB_(n)out(T)、及び当該超電導線材層の内側に形成される磁場をB_(n)in(T)とするとき、
B_(n)out＞B_(n)inを満たす場合、当該超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相が外周側を向くように当該薄膜線材を巻回し、
B_(n)out＜B_(n)inを満たす場合、当該超電導線材層を構成する薄膜線材の超電導相が内周側を向くように当該薄膜線材を巻回することを特徴とする超電導ケーブルの製造方法。
基板上に超電導相が形成された薄膜線材を螺旋状に巻回して超電導線材層を具える超電導ケーブルを製造する超電導ケーブルの製造方法であって、
前記超電導線材層の少なくとも一層について、前記基板が磁性材料からなる薄膜線材を用意し、当該薄膜線材の巻き付け半径R_(n)(m)、当該薄膜線材の超電導相の向き、及びこの層に流す交流電流の実効値I_(n)(Arms)を決定し、
前記薄膜線材の巻き付けピッチをP_(n)(m)、この巻き付けピッチP_(n)(m)及び前記巻き付け半径R_(n)(m)により求められる当該超電導線材層の外側に形成される磁場をB_(n)out(T)、及び当該超電導線材層の内側に形成される磁場をB_(n)in(T)とするとき、
前記超電導相が外周側を向いた薄膜線材については、B_(n)out＞B_(n)inを満たすように当該薄膜線材の巻き付けピッチを決定し、
前記超電導相が内周側を向いた薄膜線材については、B_(n)out＜B_(n)inを満たすように当該薄膜線材の巻き付けピッチを決定することを特徴とする超電導ケーブルの製造方法。
請求項4又は5に記載の超電導ケーブルの製造方法により製造されたことを特徴とする超電導ケーブル。