JP2011113757A - 超伝導ケーブルを備える装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導ケーブルの短絡時の影響を、実質的に軽減する。
【解決手段】装置は、超伝導導体１と、誘電体２を介して該超伝導導体を囲み、その間が真空断熱され、相互に同心状に構成された２本の金属管４，５からなる、クライオスタットＫＲによって、冷媒を運ぶための空間ＦＲとともに囲まれた超伝導スクリーン３と、からなる超伝導ケーブルＳＫを備える。超伝導スクリーンの外側に、超伝導ケーブルの全長にわたり、強磁性体材料の、管状の閉じた層７が備わる。該層は、クライオスタットの外側の周囲に配置されるのが好ましい。強磁性体材料により、導体のインダクタンスを増加させて、電流を制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導導体と、誘電体を介して該超伝導導体を囲む超伝導スクリーンとからなる、その間が真空断熱され、相互に同心状に構成された２本の金属管からなる超伝導ケーブルであって、クライオスタットによって、冷媒を運ぶための空間とともに囲まれた、超伝導ケーブルを備える装置に関する（特許文献１）。

現在の技術の超伝導ケーブルは、十分に低い温度で超伝導状態に入るセラミック材料を含む、合成材料から製造される電気導体を有する。十分に冷却すれば、このように構成された導体の電気ＤＣ抵抗は、特定の電流強度を越えない限りゼロである。適切なセラミック材料は、たとえば、ＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅酸化物）またはＢｉＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）である。このような材料を超伝導状態にするのに十分に低い温度は、たとえば、６７Ｋから１１０Ｋの範囲である。適切な冷媒は、たとえば、窒素、ヘリウム、ネオン及び水素またはこれらの物質の混合物である。

上述の特許文献１の装置において、低温誘電体を備えた超伝導ケーブルが使用される。超伝導ケーブルは、管状の担体上に設置された内側導体、及びそれと同心状に配置されたスクリーンからなる。内側導体及びスクリーンは、誘電体（絶縁体）によって、互いに所定の距離、離されて保持される。内側導体及びスクリーンは、たとえば、長いピッチで支持体の周りに巻かれ、しっかりと支持体と一体となって存在する、ＹＢＣＯまたはＢｉＳＣＣＯのような超伝導材料の帯からなる。この公知の超伝導ケーブルは、安定した動作中に、超伝導スクリーンが、超伝導導体の磁界を遮蔽するように構成されている。短絡の場合には、スクリーンは、インピーダンスを変化させ、その結果、導体の磁界は完全には遮蔽されない。したがって、そのような短絡がケーブルの破壊（バーンアウト）に至りうるばかりか、クライオスタットの外側で電磁的な混乱も生じうる。

ＷＯ０３／０５２７７５Ａ１

本発明の目的は、短絡の影響が実質的に低減され、同時に、クライオスタットの外側で、非常に小さな電磁的な混乱しか生じないように、技術分野に記載した装置を構成することである。

この目的は、ケーブルの全長にわたるスクリーンの外側に、強磁性体材料の、管状の閉じた層が備わる本発明によって達成される。

本発明に関連する「強磁性材料」とは、１０より大きな比透磁率μ_rを有する全ての物質である。短絡の場合に、ケーブルのスクリーンは、その遮蔽機能を実質的に失う。したがって、スクリーンの外側に配置された強磁性材料の層は、ケーブルの導体によって生成された磁界に入り、導体のインダクタンスの実質的な増加、すなわち、電気インピーダンスの増加を直接引き起こす。したがって、導体を流れる短絡電流は、大幅に、かつ急速に制限される。強い短絡電流によって、既知のケーブルで起こる、加熱は、その分だけ減少される。超伝導ケーブルがＡＣケーブルである場合に、強磁性材料の層で起こる再磁化損失によって他の短絡電流を制限する効果はさらに増加される。さらに、強磁性材料は、ケーブルの導体の磁界を外的に遮蔽する。したがって、クライオスタットの外側に設置される装置に対して、電磁的な混乱はほとんど生じない。さらに、周辺においてケーブル・フェーズに作用する力は減少される。

好ましい実施形態において、強磁性材料の層は、クライオスタットの外側の周囲に配置される。有利には、クライオスタットの外側の管が、それ自体、強磁性材料からなってもよい。高い比透磁率μ_rを備えた材料を強磁性材料として使用するのが好ましい。短絡の場合における好ましいケーブルの応答によって、高ヒステリシス損失の材料または低ヒステリシス損失の材料を使用することができる。全ての金属材料と同様に、強磁性材料の層は、また、導電性である。したがって、強磁性材料の層は、ケーブルの導体から生じうる
ＡＣ磁界の効果の下で、磁気ヒステリシス及び渦電流によって加熱される。しかし、装置の好ましい実施形態において、この加熱は、クライオスタットの外側で起こり、その結果、ケーブル自体及び冷媒はそれによって加熱されない。加熱が低いために、再冷却時間は減少され、その結果、ケーブルは、より速く使用可能となる。加熱が低いことは、装置の種々のコンポーネントの機械的な応力がより小さいことを意味する。結局、冷媒も、強磁性層の加熱によって影響を受けない。短絡電流が減少されたことにより、小さな冷却パワーしかさらに要求されないので、本装置のこの好ましい実施形態において、冷却システムの構成も簡単にすることができる。

強磁性材料の層として、非常に低いヒステリシス損失の材料が使用されると、該層は、ケーブルの導体によって生成されるＡＣ電磁界によって、不十分にしか過熱されない。そのような材料は、有利には、高い比透磁率μ_rを有する。特に、そのような材料の場合には、強磁性材料の層は、クライオスタットの内側に配置してもよい。たとえば、強磁性材料の層が、ケーブルのスクリーンを直接囲んでもよい。ケーブルのこの実施形態において、クライオスタットの内側管は、強磁性材料からなってもよい。

本発明の主題の例示的な実施形態は、図面に示される。

本発明による装置の構成の概要を示す図である。 本発明による装置の異なった構成の概要を示す図である。

図１及び図２によれば、装置は、超伝導ケーブルSKとそれを囲むクライオスタットKRからなる。クライオスタットKRは、装置の動作中に供給される、たとえば窒素などの冷媒が、そこを通って供給される空間FRをさらに囲む。

超伝導ケーブルSK は、超伝導導体１、超伝導導体１を囲み、絶縁体として機能する誘電体２及び誘電体２上に配置された超伝導スクリーン３からなる。

クライオスタットKRは、相互に同心に配置された２本の金属管４及び５から構成される。金属管４及び５は、好ましくは鋼からなり、クライオスタットKR の曲げやすさを増加させるために、長手方向に交差するように波形をつけてもよい。クライオスタットKR の内側管４及び外側管５の間には、公知の技術によって真空断熱６が適用される。

図１によれば、クライオスタットKR の外側管５上に、強磁性材料の管状の閉じた層７が付される。層７は、装置の全長にわたって備わり、管５の周囲全体を囲む。層７は、このように、管状に閉じたシェルである。層７は、装置において以下の機能を有する。

短絡の場合に、超伝導ケーブルSKのスクリーン３は、その遮蔽機能を実質的に失う。したがって、その外側に配置された強磁性層７は、超伝導ケーブルSKの導体１によって生成された磁界に入り、導体のインダクタンスの実質的な増加、すなわち、電気インピーダンスの増加を直接引き起こす。したがって、導体を流れる短絡電流は、大幅に、かつ急速に制限される。短絡電流によって生じる、超伝導ケーブルSK 及びその周囲の加熱は、このようにして比較的低く維持され、その結果、短絡を除去した後、装置を再冷却するためのエネルギ消費は、比較的低い。さらに、強磁性層７は、外側に対して導体１の磁界を遮蔽する。したがって、クライオスタットKR の外側に設置された装置に対して、電磁的な混乱は生じ得ない。

超伝導ケーブルSK がACケーブルであれば、強磁性層内で生じうる再磁化損失によって、短絡電流を制限する効果は増加する。

層７は、管５の周囲に端部を重ねながら巻かれる、強磁性材料の帯、たとえば、Magneperm（商標）から構成されてもよい。この材料は、５０Hzで比透磁率μ_r＝４５０，０００を有する。層７は、長手方向に伸びる重なり点を備え、管５の全周を囲む、そのような材料の長手方向に連続する帯から製造することもできる。

強磁性材料の層の厚さは、０．１ｍｍより大きいのが有利である。強磁性材料の比透磁率μ_rは、１０より大きい。

強磁性材料は、高い比透磁率μ_rによって識別される。これとは無関係に、強磁性材料は、B-Hダイアグラム上の、囲まれた領域によって与えられるヒステリシス損失を有する。両方の量は、使用される材料に依存する。μ_r及びヒステリシス損失の間の相関は存在しない。

図１による装置の修正した実施形態において、別のまたは追加の層７の代わりに、クライオスタットKR の実際の外側管５は、たとえば、５０Hzで比透磁率μ_r＝１０００の鋼などの、強磁性材料からからなってもよい。少量の添加物を含むニッケル及び鉄の合金もまた適している。

重要なことは、全ての実施形態において、強磁性材料の層が、短絡の場合に導体１の磁界内に存在するように、超伝導スクリーン３の外側を全て囲んで閉じた層として配置することである。同様に、図２によれば、強磁性材料の層は、クライオスタットKR の内側に配置され、たとえば、スクリーン３上の層８として付加されてもよい。上述のように、層８としては、短絡の場合に、不十分にしか過熱されないように、非常に低いヒステリシス損失を備えた材料を使用するのが有利である。層８は、スクリーン３と同じ電位に接続してもよい。別の層８の代わりに、図１と同様に、クライオスタットKR の内側管４は、強磁性材料から製造してもよい。装置のこの実施形態においても、クライオスタットKR の内側に強磁性材料が存在するので、図１による装置について記載したように、導体を流れる短絡電流の制限が生じる。

Claims (7)

1. 超伝導導体と、誘電体を介して該超伝導導体を囲み、その間が真空断熱され、相互に同心状に構成された２本の金属管からなる、クライオスタットによって、冷媒を運ぶための空間とともに囲まれた超伝導スクリーンと、からなる超伝導ケーブルを備える装置であって、該超伝導ケーブルの全長にわたる該超伝導スクリーンの外側に、強磁性体材料の、管状の閉じた層が備わる装置。
2. 前記強磁性体材料の比透磁率が１０より大きい請求項１に記載の装置。
3. 強磁性体材料の層が、クライオスタットの外側管の外側に付加される請求項１または２に記載の装置。
4. クライオスタットの外側管が、強磁性材料からなる請求項１または２に記載の装置。
5. 前記強磁性体材料が、クライオスタットの内側に配置される請求項１または２に記載の装置。
6. 強磁性材料の層が、超伝導スクリーンの外側に付加される請求項５に記載の装置。
7. クライオスタットの内側管が強磁性材料からなる請求項５に記載の装置。

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