JP2012221950A - 超伝導ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】同心状の超伝導相導体の直径が同じ場合に、クライオスタットの内径をより小さくすることを可能にする超伝導ケーブルを提供する。
【解決手段】クライオスタット内にケーブル芯が配置された超伝導電気ケーブルであって、該ケーブル芯は、内側冷却路の周りに同心状に配置された３個の相導体と、その間に配置された電気絶縁体とから構成され、該クライオスタットは、電気絶縁体によって囲まれており、該電気絶縁体は、通常伝導材料からなる中立導体によって囲まれている。本ケーブルにおいては、中立導体、あるいはシールドが、クライオスタットの外側にだけ配置されており、通常伝導材料によって形成されており、該通常導体は、共通の中立導体として該クライオスタットを囲み、該中立導体と該クライオスタットとの間には絶縁性材料が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、同心状に配置された超伝導相導体、特に、３個の同心状に配置された超伝導相導体、及びその間に配置された電気絶縁体が、クライオスタット内に配置される超伝導電気ケーブルに関する。相導体及びその間に配置された絶縁体は、有利には環状の断面を示す冷却路の周りに配置される。この種のケーブルのクライオスタットは、２個の同心状に配置された壁面を示し、波形管は、有利には金属、特に特殊鋼からなり、その間には、スペーサ及び／または絶縁が配置され、壁面間の空間は真空化される。クライオスタットの内側には同心状に配置された相導体が存在し、冷媒、特に液体窒素と接触している。

特許文献１は、３個の同心状の相導体であって、その間に、それぞれ、絶縁層が配置された相導体を備えた、超伝導ケーブルを記載している。外側の相導体は、別の絶縁層によって囲まれており、その上には銅からなるシールドが位置する。このケーブル芯は、大きなシールドを含めてクライオスタット内に配置される。

ＷＯ２００４／０１３８６８

本発明の技術的課題は、代替的な構造を有し、特に、同心状の超伝導相導体の直径が同じ場合に、クライオスタットの内径をより小さくすることを可能にする超伝導ケーブルを提供することである。

本発明は、上記の課題を、特許請求の範囲によるケーブル、特に、２個の同心状に配置された波形管とその間の空間の真空を示すクライオスタット内において、内側冷却路の周りに同心状に配置された３個の相導体、及びその間に配置された電気絶縁体から構成されるケーブル芯が配置され、該クライオスタットは、電気絶縁体、特に成形され、または巻かれた絶縁層によって囲まれ、該絶縁層は、通常導体材料、特に銅からなる中立導体によって囲まれた超伝導電気ケーブルによって解決する。上記のケーブルにおいて、中立導体、またはシールドは、該クライオスタットの外側だけに配置されており、通常導体材料によって形成され、該通常導体材料は、共通の中立導体として該クライオスタットを囲み、この中立導体と該クライオスタットとの間には絶縁材料が配置される。

ケーブル芯は、共通の冷却路の周りに同心状に配置された、２個の、有利には３個の超伝導相導体から構成することができ、その結果、発明によれば、クライオスタットの内側において、相導体の間にだけそれぞれ一つの絶縁体が配置され、たとえば、外側の相導体が、大きな絶縁体を有することなくクライオスタットの内側に配置され、また、内側冷却路と、その上に位置し、内側に位置する超伝導相導体との間には本質的に絶縁材料は配置されない。

発明によれば、同心状の超伝導相導体の間に絶縁材料が配置されることによって構成された絶縁体は、いわゆる低温誘電体、すなわち、冷媒、特に液体窒素が浸透またはしみこんだ絶縁材料である。そのような低温誘電体は、相導体間の効果的な絶縁体を形成する。

発明によるケーブルの構造は、クライオスタット内に配置されるケーブル芯が小さい外径を有するという利点を有する。その理由は、以下のとおりである。ケーブル芯は、冷却路、その上に位置する第１の超伝導相導体、第１の相導体上の第１の誘電体、第１の絶縁体の周りに同心状に配置された第２の超伝導相導体、第２の相導体を同心状に囲む第２の絶縁体、及び第２の絶縁体上に同心状に配置された第３の相導体から構成することができ、その結果、外側相導体の直径と比較してケーブル芯の全直径を大きくする、たとえば、第３の相導体上に位置する、大きな絶縁体、及び／またはシールドがケーブル芯を囲むことはない。

したがって、発明によるケーブルのケーブル芯は、クライオスタットが、大きな外径を有するケーブル芯に必要であったときに、クライオスタットが小さな内径を有することを可能にする。したがって、発明によるケーブルは、クライオスタットの大きな内径を有するケーブルよりも少ない熱損失を示す。より小さな内径を有するクライオスタットの代わりに、発明によるケーブルは、クライオスタットとケーブル芯との間の外側の冷却路が大きな断面積を示すように、大きな直径を有するケーブル芯を収納することができる内径を有するクライオスタットを示すこともできる。

本発明によるケーブルにおいて、さらなる利点は、シールドがクライオスタットの外側に配置されており、そのため、蓄積された損失熱が、クライオスタットを通って流れる冷媒によって運び去られることがないという点である。さらに、クライオスタットの外側の中立導体またはシールドの配置は、中立導体が通常伝導材料、たとえば銅から構成されることを可能にする。

発明によるケーブルにおいて、中立導体内の補償電流によって生じる熱は、クライオスタットの外側で生じるので、この熱は、クライオスタット内に含まれる冷媒によって運び去られない。したがって、クライオスタットの外側の中立導体の配置は、冷媒を供給し、または冷却する冷却設備の負荷を小さくする。

さらに、ケーブル芯の外側相導体を囲む絶縁体内で誘電体損失によって生じる熱も、クライオスタットの外側で生じる。したがって、ケーブル芯が大きな絶縁体を示さず、絶縁体がクライオスタットの外側に配置されている発明の実施形態においては、冷媒における熱損失は小さくなる。その場合に、ケーブル芯の外側相導体は、直接クライオスタットに接触するか、または、ケーブル芯は、外側相導体の上に、クライオスタットと接触する大きな保護層を示す。

ケーブルは、特に外側の相導体上に位置する絶縁体を示さないケーブル芯を含むので、ケーブル芯の全直径は、内側冷却路、その上に位置する第１の超伝導相導体、及び、同心状の超伝導相導体であって、それぞれの間に配置された絶縁体を備えた超伝導相導体によって形成される。その結果、ケーブル芯の全直径に寄与する、外側の相導体を囲む絶縁体は存在しない。このケーブル芯は、たとえば、周囲温度から冷媒の温度までの冷却などの、温度変化の際に、層の数が多いケーブル芯よりも小さな長手方向の力を生じる。それゆえ、発明によるケーブルにおいては、温度変化の際に、より太いケーブル芯のケーブルよりも小さな力が生じ、そのことは、クライオスタットの耐荷重及び耐久性の要求に対して有利である。

外側に位置し、最外層を形成する共通の中立導体とクライオスタットの外側の壁との間に位置する絶縁体は、クライオスタットの周囲に形成され、または、クライオスタットに巻きつけられたポリマー材料から構成することができる。

クライオスタット内に配置されたケーブル芯は、支持体とも呼ばれる内側冷却路と、その上に位置する第１の超伝導相導体と、第１の超伝導相導体上に位置する第１の誘電体と、第１の低温誘電体上に位置する第２の超伝導相導体と、この第２の超伝導相導体を囲む第２の低温誘電体と、第２の低温誘電体上で第２の超伝導相導体に対向する第３の超伝導相導体と、を示し、あるいは、それらから構成される。低温誘電体は、たとえば、複数の互いに巻かれた紙の層、一例として、合成物質、たとえば、ポリプロピレンを塗った、冷媒、特に液体窒素を透過させることのできる紙であってもよい。内側冷却路は、たとえば、円形のあるいは環状の断面を有する管であって、オプションとして、環状の、あるいは、らせん状の半径方向の起伏を有する管であり、特に、金属、一例として、銅、黄銅または特殊鋼から構成される。

超伝導相導体は、好ましくは、超伝導材料を備えた、または、超伝導材料からなる、一つまたは複数の帯状体、一例として、支持体及び超伝導材料からなる層を備えた帯状体であって、互いに平行に、かつ互いに接して、好ましくは大きなより長さで、内側冷却路の長手方向軸の周りに巻かれた帯状体であって、オプションとして複数の層からなるものから構成される。それぞれの超伝導相導体は、一方向または反対方向のよりで、オプションとして、相導体を形成する複数の層の間に配置された非導電性材料とともに巻かれる。

さらに、発明は、発明による超伝導ケーブルの製造方法に関する。この製造方法において、ケーブル芯は、製造された後、クライオスタット内に配置される。たとえば、間隔をあけて同心状に配置された、有利には金属からなる２個の壁面であって、その間には、スペーサ及び／または絶縁が配置され、壁面間の空間は真空化された、２個の壁面を備えた、予め製造されたクライオスタットにケーブル芯を入れることによって行われる。本方法において、ケーブル芯は、有利には、第１の超伝導相導体を製造するために内側冷却路の周りに超伝導帯状体を配置し、第１の超伝導相導体の周りに第１の絶縁体を配置し、第２の超伝導相導体を製造するために第１の絶縁体の周りに超伝導帯状体を配置し、第２の超伝導相導体の周りに第２の絶縁体を配置し、第３の超伝導相導体を製造するために第２の絶縁体の周りに超伝導帯状体を配置することによって製造される。クライオスタットにケーブル芯を配置する前または後に、たとえば、クライオスタットの外側の周囲の面に、架橋ポリマーを形成するか、または巻きつけることによって、クライオスタットに第３の絶縁体を与え、続いて、第３の絶縁体上に位置する金属壁面によってクライオスタットを囲む。該金属壁面は、共通の中立導体を形成するとともに、ケーブルの外側表面を形成する。該金属壁面は、第３の絶縁体の周りに、たとえば、長いより長さで、単層または多層に配置された金属帯状体を巻きつけることによって製造することができる。オプションとして、中立導体の周りに、たとえば成形された合成材料、特にＰＥからなる別の絶縁層を取り付ける。

第１及び第２の絶縁体は、有利には、紙基材に絶縁材料を巻きつけることによって製造される。内側冷却路は、有利には、環状断面を備え、特殊鋼からなる波形管である。

発明によるケーブルの断面を概略的に示す図である。

本発明について、図を参照して以下に詳細に説明する。図は、発明によるケーブルの断面を概略的に示す。

発明によるケーブルにおいて、ケーブル芯は、特に円形の断面を有し、一例として、銅を含んだ材料からなる管である、内側冷却路１からなる。内側冷却路１上に直接、または薄い保護層１３を介して分離されて、第１の超伝導相導体２が存在する。第１の超伝導相導体２は、一例として、長いより長さで内側冷却路１の周りに巻かれた超伝導帯状体からなる。第１の超伝導相導体２と同心状に、第２の超伝導相導体３、及びそれを囲む同心状の第３の超伝導相導体４が配置される。ここで、第１の超伝導相導体２は、第２の超伝導相導体３から、これらの間に配置された第１の電気絶縁体５によって隔てられており、第３の超伝導相導体４は、これと第２の超伝導相導体３との間に配置された第２の電気絶縁体６によって隔てられている。第１及び第２の電気絶縁体５及び６は、それぞれ、低温誘電体、特に、冷媒、特に液体窒素を浸透させた、紙ベースの巻かれた誘電体から形成される。内側冷却路１上に位置し、第１の超伝導相導体２に隣接する、省略可能な保護層１３は、たとえば、紙、特にすす紙（Russpapier）、または、たとえば、特殊鋼からなる金属帯状体、及び、両者の組み合わせであり、または、これらのうちの一つ、またはこれらの組み合わせから構成することができる。第３の超伝導相導体４は、第２の電気絶縁体６上に向き合っている面であり、絶縁されておらず、クライオスタット９に対して、大きな閉じた絶縁体は存在しない。第３の超伝導相導体４は、クライオスタット９の内壁に対して直接設置することができる。クライオスタット９は、２個の同心状に配置された壁面であって、それらの間に設置された、真空の絶縁を備えた壁面から形成される。代替的に、第３の超伝導相導体４の周りに薄い保護層１２を取り付けることができる。保護層１２は、金属でも非金属でも製造することができる。この省略可能な薄い保護層１２は、ケーブル芯の外側の周囲の面を形成し、内側冷却路上に位置する保護層１３のように形成することができる。紙からなる一つの層の代わりに、またはそれに追加して、第３の超伝導相導体４上に位置する保護層１２は、少なくとも巻かれた金属帯状体、たとえば、青銅帯状体であるか、または、該金属帯状体から構成される。保護層１２として、第３の超伝導相導体４上、または、その周りに巻かれた紙上の、巻かれた金属帯状体は、それ自身重ならないように巻かれるのが有利である。

発明によれば、ケーブル芯は、内側から外側に、内側冷却路１の周りに同心状に配置された第１の超伝導相導体２、第１の電気絶縁体５、第２の超伝導相導体３、第２の電気絶縁体６、及び第３の超伝導相導体４から構成される。ケーブル芯の外側の周囲の面とクライオスタット９の内壁との間の空間は、外側の冷却路８を形成する。冷却路１と同様に冷却路８に、冷媒を流すことができる。発明によれば、クライオスタット９は、電気絶縁体１０によって隔てられた中立導体１１に囲まれている。中立導体１１の周りには、一般的に、絶縁性の保護層１４、たとえば、成形された合成物質、たとえば、ＰＥ（ポリエチレン）を取り付けることができる。発明によるケーブルのケーブル芯の構造は、外径が小さいので、クライオスタット９の内径は、同種の公知の超伝導ケーブルと比較して、小さくすることができる。ケーブルの外壁を形成する中立導体１１で発生した損失熱エネルギーは、有利には合成物質から構成される第３の電気絶縁体１０における損失熱エネルギーと同様に、クライオスタット９の外側で発生する。したがって、発明によるケーブルにおいては、クライオスタット９と中立導体１１との間の空間を埋める第３の電気絶縁体１０は、第３の電気絶縁体１０、及びクライオスタット９と中立導体１１との間の熱絶縁体を形成する。

１・・・内側冷却路、２・・・第１の超伝導相導体、３・・・第２の超伝導相導体、４・・・第３の超伝導相導体、５・・・第１の電気絶縁体、６・・・第２の電気絶縁体、８・・・外側冷却路、９・・・クライオスタット、１０・・・第３の電気絶縁体、１１・・・中立導体、１２・・・保護層、１３・・・保護層、１４・・・絶縁性の保護層

Claims (16)

1. クライオスタット（９）とその中に配置されたケーブル芯とを備えた超伝導ケーブルであって、前記ケーブル芯は、内側冷却路（１）の周りに、内側から外側に同心状に、第１の超伝導相導体（２）と、第１の電気絶縁体（５）と、第２の超伝導相導体（３）と、第２の電気絶縁体（６）と、第３の超伝導相導体（４）と、を示し、前記クライオスタット（９）は、第３の電気絶縁体（１０）に囲まれており、前記第３の電気絶縁体（１０）上に円形断面を備えた中立導体（１１）が位置する超伝導ケーブル。
2. 前記ケーブル芯は、前記内側冷却路（１）と、前記第１の超伝導相導体（２）と、前記第１の電気絶縁体（５）と、前記第２の超伝導相導体（３）と、前記第２の電気絶縁体（６）と、前記第３の超伝導相導体（４）と、から構成される請求項１に記載の超伝導ケーブル。
3. 前記内側冷却路（１）と前記第１の超伝導相導体（２）との間に金属、及び／または絶縁性材料からなる保護層（１３）が配置されている請求項１または２に記載の超伝導ケーブル。
4. 前記第３の超伝導相導体（４）上に金属、及び／または絶縁性材料からなる保護層（１２）が配置されている請求項１から３のいずれかに記載の超伝導ケーブル。
5. それぞれの保護層（１２，１３）の絶縁性材料は、独立した紙（unabhaengig Papier）及び／または、すす紙（Russpapier）であり、保護層（１２）の金属材料は、前記第３の超伝導相導体（４）に巻かれた青銅帯状体であり、保護層（１３）は、特殊鋼からなる帯状体を含む請求項３または４に記載の超伝導ケーブル。
6. 前記中立導体（１１）上に絶縁性材料からなる層（１４）が取り付けられた請求項１から５のいずれかに記載の超伝導ケーブル。
7. 前記中立導体（１１）が、ケーブルの外側の層を形成する金属製中立導体（１１）から構成される請求項１から６のいずれかに記載の超伝導ケーブル。
8. 第１及び第２の電気絶縁体（５，６）は、巻かれて、冷媒に対して透過性の紙の層から構成される請求項１から７のいずれかに記載の超伝導ケーブル。
9. 第３の絶縁体は、前記クライオスタットの周りに成形され、または巻かれたポリマーであり、またはそれから構成される請求項１から８のいずれかに記載の超伝導ケーブル。
10. 前記中立導体（１１）が、銅を含む材料からなる帯状体をより合わせたものから構成され、または、長手方向に溶接された金属管であって、円筒状の周囲のもの、あるいは、らせん状または環状の起伏を有するものである請求項１から９のいずれかに記載の超伝導ケーブル。
11. ケーブル芯を製造し、クライオスタット（９）内に前記ケーブル芯を配置することによって超伝導ケーブルを製造する製造方法であって、前記ケーブル芯の製造は、
    第１の超伝導相導体（２）を製造するために、内側冷却路（１）として供給された環状断面を備えた支持体の周りに超伝導帯状体を配置し、
    前記第１の超伝導相導体（２）の周りに第１の絶縁体（５）を配置し、
    第２の超伝導相導体（３）を製造するために、前記第１の絶縁体（５）の周りに超伝導帯状体を配置し、
    前記第２の超伝導相導体（３）の周りに第２の絶縁体（６）を配置し、
    第３の超伝導相導体（４）を製造するために、前記第２の絶縁体（６）の周りに超伝導帯状体を配置することを含み、
    第３の電気絶縁体（１０）をクライオスタット（９）の周りに配置し、前記第３の電気絶縁体（１０）上に、前記超伝導相導体（２，３，４）用の共通の中立導体（１１）として、金属壁面を配置する製造方法。
12. 前記ケーブル芯は、前記内側冷却路（１）と、前記第１の超伝導相導体（２）と、前記第１の電気絶縁体（５）と、前記第２の超伝導相導体（３）と、前記第２の電気絶縁体（６）と、前記第３の超伝導相導体（４）と、から構成される請求項１１に記載の製造方法。
13. 前記第３の電気絶縁体（１０）は、架橋しうる合成材料を前記クライオスタット（９）に形成することによって製造される請求項１１または１２に記載の製造方法。
14. 前記第１の超伝導相導体（２）を製造するために、前記内側冷却路（１）の周りに超伝導帯状体を配置する前に、前記内側冷却路（１）上に保護層（１３）を配置する請求項１１から１３のいずれかに記載の製造方法。
15. 前記第３の超伝導相導体（４）を製造するために、前記第２の絶縁体（６）の周りに超伝導帯状体を配置した後に、前記第３の超伝導相導体（４）上に保護層（１２）を配置する請求項１１から１４のいずれかに記載の製造方法。
16. 前記中立導体（１１）を配置した後に、前記中立導体（１１）の周りに別の保護層（１４）を配置する請求項１１から１５のいずれかに記載の製造方法。