JP2013143823A - 常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】導体部の熱収縮を吸収することが可能であり、常温絶縁型超電導ケーブルに適した接続構造を提供する。
【解決手段】常温絶縁型超電導ケーブル100は、超電導導体層112を有する導体部110と、導体部110を収納し、超電導導体層112を冷却する冷媒が流通する断熱管120と、断熱管120の外側に形成される主電気絶縁層と、を備える。この超電導ケーブル100の接続構造1は、断熱管120の端部から引き出された導体部110と接続対象の引き出し導体30とを電気的に接続する接続部10と、接続部10を収納する断熱容器20とを備える。接続部10は、引き出し導体30と断熱容器20に対して導体部110の熱収縮による可動を許容するように、導体部110と引き出し導体30とをフレキシブル導体12により電気的に接続することで、構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造に関し、常温絶縁型超電導ケーブルの導体部と接続対象の導体とを電気的に接続する構造に関するものである。

超電導ケーブルは、既存の電力ケーブル（例、ＣＶケーブルやＯＦケーブルなどの常電導ケーブル）に比較して、大容量の電力を低損失で送電できることから、省エネルギー技術として期待されている。最近では、超電導ケーブルを布設し、実際の送電線に利用する実証試験が行われつつある。

超電導ケーブルには、超電導導体層の外側に主電気絶縁層を有しない導体部が断熱管に収納され、この断熱管の外側に主電気絶縁層が形成され、当該主電気絶縁層が常温に保持される常温絶縁型のもの（例えば、特許文献１の段落０００３及び図２、特許文献２の図４を参照）と、超電導導体層の外側に主電気絶縁層を有する導体部（所謂ケーブルコア）が断熱管に１つ或いは複数収納され、当該主電気絶縁層も冷媒（例、液体窒素（LN₂））の温度に冷却される低温絶縁型のもの（例えば、特許文献１の段落０００４及び図３、特許文献２の図３及び図５参照）とがある。主電気絶縁層とは、ケーブルの定格電圧が印加され、その電圧に対して絶縁に必要な絶縁強度を有する絶縁層のことである。断熱管には、通常、内管と外管とを有する二重管構造の断熱管が利用されており、断熱性を高めるために、内管と外管との間の空間を真空引きして真空断熱層を形成したり、さらに、内管と外管との間にスーパーインシュレーションといった断熱材を配置したりすることが行われている。

ところで、超電導ケーブルを用いて線路を構築する場合、線路の途中に超電導ケーブル同士を接続する中間接続構造や、線路の終端で超電導ケーブルと他の電力機器（例、常電導ケーブル）とを接続する端末接続構造が必要となる（以下、中間接続構造並びに端末接続構造を、単に接続構造と呼ぶ）。例えば、特許文献３〜６には、低温絶縁型超電導ケーブルの接続構造に関する技術が開示されている。

特開平８−６４０４１号公報 特開２００６−５９６９５号公報 特開２００６−１９７７０２号公報 特開２００７−２８７３８８号公報 特開２００６−２２１８７７号公報 特開２００６−１９６６２８号公報

超電導ケーブルは、使用時に断熱管に冷媒を流通させ、冷媒により導体部が極低温に冷却されるため、導体部が収縮する。例えば、常温から液体窒素温度（約-200℃）に冷却した際、導体部が約0.3％収縮する。つまり、100m当たり30cm程度の熱収縮が生じ、500mでは1.5m程度の熱収縮が生じる。通常、超電導ケーブルの両端部には中間接続構造或いは端末接続構造が形成され、終端接続箱（断熱容器）に導体部が固定されるため、熱収縮により導体部に応力が作用し、超電導導体がダメージを受ける虞がある。また、超電導ケーブルの曲がり部では、導体部の熱収縮によって導体部が断熱管内管を圧迫して、断熱管が側圧を受けることにより、侵入熱が増加する。そのため、超電導ケーブルでは、熱収縮対策が必要となる。

熱収縮対策としては、導体部の熱収縮を吸収し、熱収縮による応力を緩和することが提案されている。例えば、特許文献３及び４には、複数のケーブルコアを一括して断熱管に収納した多心構造の超電導ケーブルにおいて、複数のコアを撚り合わせ、撚り合わせに弛みを持たせることで、熱収縮を吸収することが記載されている。また、特許文献６には、超電導ケーブルの端末接続構造において、終端接続箱が超電導ケーブルの熱収縮に伴って移動できるように台車に搭載することが記載されている。

しかし、上記した特許文献に記載の熱収縮対策技術は、低温絶縁型超電導ケーブルにおけるものである。１つの導体部を断熱管に収納した構成の単心常温絶縁型超電導ケーブルでは、導体部の撚り合わせに弛みを持たせる構造は採用することができない。超電導ケーブルの端末接続構造において、終端接続箱（断熱容器）を超電導ケーブルの熱収縮によって移動させることは困難であり、また、断熱容器が移動すると不具合が起こる虞もある。具体的には、断熱容器を移動可能とすることで、断熱容器に固定された導体部の熱収縮による応力を緩和できるが、断熱容器には断熱管が接続され、断熱管の外管は常温に保持されることから、導体部の熱収縮に伴って断熱容器が移動すると、断熱管の外管に応力が印加されるなど、外管といった常温部が影響を受ける。

よって、常温絶縁型超電導ケーブルにおいて、上記した熱収縮対策以外の方法で、導体部の熱収縮を吸収することが可能で、熱収縮の影響を低減することができる接続構造が求められている。

そこで、本発明の目的の一つは、導体部の熱収縮を吸収することが可能であり、常温絶縁型超電導ケーブルに適した接続構造を提供することにある。

本発明の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造は、常温絶縁型超電導ケーブルの導体部と接続対象の導体（以下、単に「接続対象」と呼ぶ場合がある）とを電気的に接続する構造である。常温絶縁型超電導ケーブル（以下、単に「超電導ケーブル」と呼ぶ場合がある）は、超電導導体層を有する導体部と、導体部を収納し、超電導導体層を冷却する冷媒が流通する断熱管と、断熱管の外側に形成される主電気絶縁層とを備える。この接続構造は、断熱管の端部から引き出された導体部と接続対象とを電気的に接続する接続部と、接続部を収納する断熱容器とを備える。そして、接続部は、接続対象と断熱容器に対して導体部の熱収縮による可動を許容しながら導体部と接続対象とを電気的に接続することを特徴とする。

この構成によれば、接続対象と断熱容器に対して導体部の熱収縮による可動を許容しながら導体部と接続対象とを電気的に接続する接続部を備えることで、冷却時の導体部の熱収縮を吸収することが可能である。したがって、本発明の接続構造は、熱収縮による応力を緩和し、熱収縮によって導体部（超電導導体）がダメージを受けることを防止できる。また、熱収縮時による応力を緩和することで、中間接続構造や端末接続構造に設けられる従来必要であった導体部を断熱容器に拘束するための固定部材を簡素化（省略化）できる共に、超電導ケーブルの曲がり部において、導体部の熱収縮によって、断熱管が側圧を受けることによる侵入熱の増加も抑制することができる。

本発明の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造の一形態としては、接続対象が常温側に引き出される引き出し導体であることが挙げられる。

この構成は、接続対象が引き出し導体であり、本発明の接続構造を超電導ケーブルと他の電力機器とを接続する端末接続構造に適用した場合である。

本発明の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造の一形態としては、接続対象が別の常温絶縁型超電導ケーブルの導体部であることが挙げられる。

この構成は、接続対象が別の超電導ケーブルの導体部であり、本発明の接続構造を超電導ケーブル同士を接続する中間接続構造に適用した場合である。

本発明の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造の一形態としては、導体部と接触し、導体部を摺動させ案内するガイド部材を断熱容器内に備えることが挙げられる。

この構成によれば、導体部をガイド部材に沿って摺動させ、ガイド部材により導体部の可動方向を所定の方向（導体部が熱収縮する方向）に規制することができる。ガイド部材は、銅、アルミニウムなどの金属及びその合金、並びにステンレス鋼といった金属材料、或いはＦＲＰなどの複合材料やＰＴＦＥなどの樹脂材料で形成することが可能である。ガイド部材は、導体部の一部と接触し、導体部の可動方向を規制できるものであれば、形状は問わない。また、ガイド部材は、断熱容器内に固定するとよい。

上記構成において、ガイド部材が導体部を摺動可動に収容する筒状体であることが好ましい。

この構成によれば、断熱容器内に配置された筒状体に導体部が摺動可能に収容されていることで、この筒状体により導体部を機械的にサポートすることができる。また、導体部が可動する際に、導体部を筒状体に沿って案内することができる。筒状体は、銅、アルミニウムなどの金属及びその合金、並びにステンレス鋼といった金属材料、或いはＦＲＰなどの複合材料やＰＴＦＥなどの樹脂材料で形成することが可能である。筒状体は、断熱容器内に固定しても固定しなくてもよいが、固定しない場合は、筒状体が断熱容器内に位置するように筒状体の移動範囲を規制することが好ましい。筒状体を断熱容器内に固定しない場合、接続対象が引き出し導体であれば、引き出し導体に固定し、接続対象が別の超電導ケーブルの導体部であれば、いずれか一方の導体部に固定することが挙げられる。

ガイド部材を備える上記形態において、断熱容器内に導体部の摺動を補助する摺動補助部材を備えることが挙げられる。

この構成によれば、摺動補助部材を備えることで、導体部をスムーズに摺動させることができる。超電導ケーブルは、使用時に冷却されることで導体部が熱収縮するだけでなく、メンテナンス時などには冷媒の流通を停止して、導体部が常温に戻されたり、使用時であっても、例えば導体部に異常時電流（短絡電流など）が流れるなどして、導体部が温度上昇するため、導体部が熱伸長する。ガイド部材に導体部を摺動させる構成とした場合、特に筒状体に導体部を摺動可能に収容した場合は、導体部が熱伸長する際に、導体部がガイド部材に引っ掛かって局所的に座屈することが考えられる。そこで、摺動保持部材により、導体部の熱伸長する方向の摺動を容易にすることで、導体部の摺動をスムーズにすることが好ましい。摺動補助部材としては、例えばバネを使用することが挙げられる。

筒状体を備える上記形態において、筒状体の少なくとも一部が導電材料で形成され、導体部が筒状体と電気的に接続されており、導体部が筒状体を介して接続対象と電気的に接続されていることが挙げられる。

この構成によれば、筒状体を介して導体部と接続対象とが電気的に接続されていることで、導体部の熱収縮による可動を許容しながら導体部と接続対象とを電気的に接続することが可能である。導電材料としては、銅、アルミニウムなどの金属及びその合金といった常電導材料や、超電導材料が挙げられる。

また、上記構成において、導電材料が超電導材料であってもよい。筒状体の一部が超電導材料で形成されていることで、導体部と接続対象との間を低損失で接続することができる。この場合、筒状体は、常電導材料と超電導材料とを組み合わせてもよく、例えば、常電導材料で形成した筒状体の外周面に超電導線材を配置して半田付けすることが挙げられる。

さらに、上記構成において、導体部と筒状体とがマルチコンタクトにより電気的に接続されていてもよい。導体部と筒状体とがマルチコンタクトにより電気的に接続されていることで、導体部と筒状体との間の電気的接続を維持し易い。

或いは、上記構成において、導体部と筒状体とがフレシキブル導体により電気的に接続されていてもよい。導体部と筒状体とがフレキシブル導体により電気的に接続されていることで、導体部の熱収縮による可動を許容しながら導体部と筒状体とを電気的に接続することが可能である。フレキシブル導体としては、例えば編組線を使用することが挙げられる。

本発明の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造の一形態としては、導体部の可動域を規制するストッパを備えることが挙げられる。

この構成によれば、ストッパを備えることで、導体部の可動域を規制して、導体部が許容範囲を超えて過剰に可動することを防止でき、例えば接続部が損傷することを防止できる。また、導体部が筒状体を介して接続対象と電気的に接続されている上記形態においては、導体部が筒状体から抜けないようにストッパを設けることで、導体部と筒状体との接続面積を確保でき、導体部と接続対象との間の電流流路を確保できる。

本発明の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造の一形態としては、導体部と接続対象とがフレキシブル導体により電気的に接続されていることが挙げられる。

この構成によれば、導体部と接続対象とがフレキシブル導体により電気的に接続されていることで、導体部の熱収縮による可動を許容しながら導体部と接続対象とを電気的に接続することが可能である。

本発明の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造は、接続対象と断熱容器に対して導体部の熱収縮による可動を許容しながら導体部と接続対象とを電気的に接続する接続部を備えることで、冷却時の導体部の熱収縮を吸収することが可能である。したがって、本発明の接続構造は、熱収縮による応力を緩和し、熱収縮によって導体部（超電導導体）がダメージを受けることを防止できる。また、熱収縮時の応力を緩和することで、中間接続構造や端末接続構造に設けられる導体部を拘束するための固定部材を簡素化できると共に、超電導ケーブルの曲がり部において、導体部の熱収縮によって、断熱管が側圧を受けることによる侵入熱の増加も抑制することができる。さらに、常温絶縁型超電導ケーブルでは、断熱管が導体部と同電位となり、断熱管と導体部との間に離隔を確保する必要がない。そのため、接続構造において、断熱容器と接続部との間に接続部の施工を可能にするスペースを確保するのみでよく、低温絶縁型超電導ケーブルに比較して、コンパクトな接続部とすることが可能である。

常温絶縁型超電導ケーブルの一例を示す概略断面図である。 常温絶縁型超電導ケーブルの別の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造の全体概略構成図である。 実施例１の接続構造における接続部の概略構成図である。 実施例２の接続構造における接続部の概略構成図である。 実施例３の接続構造における接続部の概略構成図である。 実施例４の接続構造における接続部の概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、各図において、同一又は相当の部材には同一の符号を用いる。

まず、図１及び２を参照して、常温絶縁型超電導ケーブルの構造について説明する。

［常温絶縁型超電導ケーブル（１）］
図１は、常温絶縁型超電導ケーブルの一例を示す図である。図１に示す超電導ケーブル101は、超電導導体層112を有する１つの導体部110と、導体部110を収納する断熱管120とを備え、断熱管120の内側には、超電導導体層112を冷却する冷媒が流通する。また、断熱管120の外側に主電気絶縁層130が形成されており、常温にて絶縁を行う構造である。

導体部110は、代表的には、中心から順にフォーマ111、超電導導体層112、保護層115を有する。フォーマ111は、超電導導体層112の支持体に利用され、例えば、銅やアルミニウムなどの常電導材料、ＦＲＰなどの絶縁性複合材料やＰＴＦＥなどの絶縁性樹脂材料で形成されている。フォーマの具体的な形態としては、エナメルなどの絶縁被覆を有する複数の金属線を撚り合わせた撚り線などの中実体、絶縁パイプや金属パイプ、金属帯を螺旋状に巻回して筒状に形成されたスパイラル帯などの中空体が挙げられる。フォーマを金属パイプなどの中空体とした場合、その内部空間も冷媒の流路に利用することが可能である。また、フォーマを、常電導材料の金属線を撚り合わせた撚り線や金属パイプとした場合、異常時電流（短絡電流など）の流路に利用することが可能である。

超電導導体層112は、例えば、酸化物超電導導体を用いたテープ状の超電導線材で形成されている。超電導線材としては、例えば、ビスマス系超電導線材やイットリウム系超電導線材が挙げられる。超電導導体層112は、複数の超電導線材をフォーマ111の外周に螺旋状に巻回することで形成しており、単層又は多層構造としてもよい。また、フォーマ111と超電導導体層112との間にクッション層（図示せず）を介在させてもよい。クッション層はクラフト紙などを巻回することで形成することができる。

超電導導体層112の外周には保護層115が形成されている。保護層115は、その内側に配された超電導導体層112などを断熱管120と電気的に絶縁すると共に、機械的に保護するためのものであり、クラフト紙などを巻回することで形成している。ここで、導体部110（超電導導体層112）と断熱管120とは、中間接続構造や端末接続構造などの任意の箇所で電気的に繋がれており、同電位である。超電導導体層112の外側に設けられた保護層115による電気的な絶縁は、超電導導体層112に流れる主電流を断熱管120に分流させない（断熱管120との不安定な接触点を形成させない）ためのものであり、絶縁に必要な厚さを有していなくてもよい。超電導ケーブル101の主絶縁は、断熱管120の外側に設けられた主電気絶縁層130により確保される。

断熱管120は、内管121と外管122とを有する二重構造であり、内管121と外管122との間に真空断熱層が形成された真空断熱管である。そして、断熱管120（内管121）内に導体部110が収納され、断熱管120（内管121）には、導体部110の超電導導体層112を冷却して超電導状態に維持するための冷媒（例えば、液体窒素や液体ヘリウムなどの液体冷媒、窒素ガスやヘリウムガスなどの気体冷媒）が流通する。

内管121及び外管122は、ステンレス鋼、アルミニウムやその合金などで形成されている。また、断熱管120に屈曲性を付与するため、内管121及び外管122の全長に亘ってコルゲート加工を施してもよい。その他、内管121と外管122との間にスーパーインシュレーションなどの断熱材やスペーサーを配置することで、断熱性をより高めることが可能である。本例では、内管121及び外管122がステンレス製のコルゲート管である。

断熱管120（外管122）の外側には、主電気絶縁層130が形成されている。主電気絶縁層130は、既存の常電導ケーブルで実績があり、常温での電気絶縁強度に優れる材料、代表的にはＣＶケーブルに使用されている架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）などの絶縁性樹脂材料を使用することができる。主電気絶縁層130は、断熱管120（外管122）の外側に架橋ポリエチレンなどの絶縁性樹脂材料を押出しにより被覆することで形成することができる。なお、主電気絶縁層130の内側又は外側には、常電導ケーブルと同様に、内部半導電層又は外部半導電層（図示せず）を主電気絶縁層130と同時に押出しにより形成してもよい。主電気絶縁層130の外側には、図示しないが、銅やアルミニウムなどの金属及び半導電層で構成されるしゃへい部（しゃへい層）や、ビニルやポリエチレンなどのシースを施すことが好ましい。このしゃへい部は、主として電界しゃへい層として機能する。一方、シースは、しゃへい部に誘起する電位に対する電気的絶縁性能を有すると共に、機械的な保護層として機能する。これらの機能は、常電導ケーブルと同様である。

なお、この例では、断熱管120（外管）と主電気絶縁層130との間に常電導材料で形成された外部導体131を有する。この外部導体131は、超電導ケーブルの接続構造（超電導ケーブルの中間接続構造や端末接続構造）を形成する箇所で、フォーマ111及び超電導導体層112と電気的に接続され、異常時電流（短絡電流など）の分流路として機能する。外部導体131は、銅、アルミニウム、銀などを使用することができる。外部導体131は、例えば、銅撚り線からなるセグメント導体など、既存の常電導ケーブルの導体に準じた部材を外管122に巻回することで形成することができる。

このような外部導体131を備えることで、異常時電流の流路を十分に確保することができ、大きな異常時電流が流れることによるフォーマ111及び超電導導体層112の温度上昇を低減し、断熱管120に流通する冷媒の温度上昇を低減することができる。

さらに、主電気絶縁層130の外側には、布設用のテンションメンバーを設けたり、更にその外側に防食層などを設けてもよい（図示せず）。

［常温絶縁型超電導ケーブル（２）］
図２は、常温絶縁型超電導ケーブルの別の一例を示す図である。図２に示す超電導ケーブル102は、管状支持部材140を備える点が、図１に示す上記した超電導ケーブル101と異なり、基本的な構成は超電導ケーブル101と同じであるので、以下では相違点を中心に説明する。

超電導ケーブル102では、断熱管120（外管122）に主電気絶縁層130が形成されておらず、断熱管120（外管122）の外側に配置される管状支持部材140の外側に主電気絶縁層130が形成されている。つまり、管状支持部材140は、その外側に形成される主電気絶縁層130を支持する部材であり、この部材に最も求められる特性は強度である。また、超電導ケーブル102に可撓性を持たせるために、管状支持部材140も可撓性を有することが好ましく、以上の点を考慮して、管状支持部材140には、アルミニウム（その合金を含む）製のストレート管や、ステンレス製のコルゲート管を好適に使用することができる。その他、管状支持部材140を樹脂などの非金属材料で形成してもよい。管状支持部材140を常電導材料で形成した場合、上記した超電導ケーブル101の外部導体131と同様にフォーマ111及び超電導導体層112と電気的に接続することで、異常時電流の分流路として機能させることも可能である。

さらに、管状支持部材140と主電気絶縁層130との間には、図示するように、常電導材料で形成された外部導体131を形成してもよい。この外部導体131は、上記した超電導ケーブル101の外部導体131と同様にフォーマ111及び超電導導体層112と電気的に接続することで、異常時電流の分流路として機能する。また、断熱管120（外管122）の外周には、図示しないが、断熱管120を保護する保護層などを形成してもよい。

その他、主電気絶縁層130の外側に、しゃへい及びシースなどを施したり、上記したテンションメンバーや防食層などを設けてもよい（図示せず）。

このような管状支持部材140を備えることで、導体部110を含む断熱管120と主電気絶縁層130を含む管状支持部材140とを別個に取り扱うことができる。

次に、図３を参照して、本発明に係る常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造の全体概略構成を説明する。図３に示す接続構造1は、超電導ケーブルの端末接続構造の一例である。この接続構造1は、超電導ケーブル100の導体部110と常温側に引き出される引き出し導体30（接続対象）とを電気的に接続する接続部10と、接続部10を収納する断熱容器20とを備える。超電導ケーブル100は、例えば、図１や図２に示す上記した超電導ケーブル101や超電導ケーブル102である。

この例では、超電導ケーブル100の端部が碍管200に挿入され、超電導ケーブル100の端部の外周を覆う碍管200から当該ケーブル100の断熱管120が外部に露出し、この断熱管120の端部から導体部110が引き出されている。そして、導体部110と引き出し導体30との接続部10が碍管200の外部に設けられており、この接続部10を収納するように、断熱容器20が形成されている。

碍管200は、既存の常電導ケーブルの端末接続構造に使用されているものと同様であり、例えば、磁器製又はポリマー製や樹脂（例えばエポキシ樹脂）製のものを使用することができる。

超電導ケーブル100の端部は、主電気絶縁層などが除去され、断熱管120が露出しており、先端部において、導体部110が断熱管120の端部から引き出されている。引き出された導体部110には、端末処理が施され、端末部材（後述）が取り付けられている。この部位では、保護層などが除去され、超電導導体層112が露出しており、超電導導体層112に対して端末部材が電気的に接続されると共に、端末部材によって超電導導体層112が機械的に保護される。ここで、超電導導体層112が多層構造の場合は、端末処理によって、超電導導体層を階段状に露出させる。また、断熱管120の端部は断熱容器20に接続され、断熱管120の内側と断熱容器20の内側の冷媒流通空間とが連通している。

引き出し導体30は、一端側が断熱容器20に収納され、断熱管120の端部から引き出された導体部110（超電導導体層112）と電気的に接続されており、他端側が断熱容器20の外部（常温側）に引き出されている。常温側に引き出された引き出し導体30には、他の電力機器（図示せず）が接続される。引き出し導体30は、例えば、銅やアルミニウムなどの常電導材料で形成されている。この例では、引き出し導体30の引き出し方向が導体部110延長方向に対して直交しているが、この方向はこれに限定されるものではない。また、引き出し導体30における断熱容器20側の外周面には、外部からの侵入熱を低減する断熱部材32が設けられている。そして、引き出し導体30の断熱部材32と超電導ケーブル100の断熱管120とが断熱容器20で接続される構造となる。

引き出し導体30と断熱容器20との間で電流が流れないように、引き出し導体30と断熱容器20との間には絶縁部材（図示せず）が介在されている。この絶縁部材は、引き出し導体30と断熱部材32との間に設けてもよい。例えば、現地で接続構造を組み立てる場合、予め工場などで、引き出し導体30の上に絶縁部材を形成し、その上に断熱部材32を形成しておき、現地では、この引き出し導体30を断熱容器20に設けられた嵌合部22に挿入して、引き出し導体30と断熱容器20とを嵌合させる。このように引き出し導体30が断熱部材32を有することで、現地での接続構造の組み立てが容易になる。また、図示するように、引き出し導体30の断熱部材32と断熱容器20の嵌合部22とを重複させることで、外部からの侵入熱を抑制することができる。ここでは同様に、断熱容器20と断熱管120との接続箇所や断熱容器20と冷媒配管220との接続箇所においても、断熱管120や冷媒配管220と断熱容器20とを嵌合させ、重複させている。断熱部材32の外周にフランジ部を形成しておき、このフランジ部を嵌合部22に当接させ、位置決めに利用したり、このフランジ部を断熱容器20（嵌合部22）に固定してもよい。

断熱容器20は、その内側が断熱管の内側と連通しており、断熱管120に流通する冷媒が充填される。断熱容器20は、断熱性能に優れる構造、例えば断熱管120と同様に、内容器と外容器とを有する二重構造であり、内容器と外容器との間に真空断熱層が形成された真空断熱容器を使用することができる。断熱容器20（内容器及び外容器）は、ステンレス鋼、アルミニウムやその合金などで形成されている。なお、この断熱容器20は、大地に対して動かないように固定されている。

断熱容器20には、断熱管120に流通する冷媒を冷却システム（図示せず）に送るための冷媒配管220が接続されている。常温絶縁型超電導ケーブルの場合、高電圧部である超電導導体層112の外側に主電気絶縁層を有さないため、断熱管120が高電位である。よって、断熱管120が接続される断熱容器20や、断熱容器20に接続される冷媒配管220も高電位である。これに対し、冷却システムは通常、接地部（低電圧部）に設けられるので低電位である。そのため、冷媒配管220を冷却システムに直接接続した場合、電圧が印加できなくなる（地絡状態となり異常電流が流れる状態になる）ことにより、送配電線路として成立しない。そこで、この例では、冷媒配管220と冷却システムに接続される冷媒配管230とを電気的に絶縁した状態で接続するため、冷媒配管220と冷媒配管230とを絶縁継手225を介して接続している。冷媒配管220,230は、断熱管120と同様に、二重管構造の真空断熱管を使用することができる。絶縁継手225には、その外側に断熱部226が設けられている。

そして、本発明の接続構造において、最も特徴とするところは、接続部が、接続対象と断熱容器に対して導体部の熱収縮による可動を許容しながら導体部と接続対象とを電気的に接続するように構成されているところにある。つまり、図３に示す上記した接続構造1を例にとれば、接続部10が、引き出し導体30と断熱容器20に対して導体部110の熱収縮による可動を許容しながら導体部110と引き出し導体30とを電気的に接続するように構成されている。以下、このような接続部10を実現するための構成を説明する。

＜実施例１＞
図４は、接続構造1における接続部10の一例である。この例では、導体部110（超電導導体層112）と引き出し導体30とを導電材料からなるフレキシブル導体12により電気的に接続することで、接続部を構成している。これにより、導体部110が冷却時に熱収縮しても、フレキシブル導体12が追従するので、導体部110の熱収縮を吸収することが可能である。また、この例では、端末処理により、超電導導体層112が露出した導体部110に常電導材料からなる端末部材11が取り付けられている。端末部材11は、導体部110（超電導導体層112）が挿入される挿入穴を有し、この挿入穴に導体部110の先端部を挿し込み、半田で接合することで、超電導導体層112と電気的に接続されると共に、超電導導体層112を機械的に保護する。フレキシブル導体12は、編組線であり、その両端に接続端子が設けられている。そして、端末部材11に設けられた接続端子とフレキシブル導体12の一方の接続端子とを接続し、引き出し導体30に設けられた接続端子とフレキシブル導体12の他方の接続端子とを接続して、フレキシブル導体12によって電流を流すことができる接続構造により、導体部110と引き出し導体30とを電気的に接続している。接続端子同士の接続は、例えば、半田付けや圧着により行われている。導体部110（超電導導体層112）の先端部に端末部材11を半田で接合して端末処理することで、超電導導体層112を形成する超電導線材を機械的に固定すると共に、フレキシブル導体12との電気的な接続を確実にすることができる。また、フレキシブル導体12との接続作業が行い易い。

なお、断熱容器20は、断熱管120と接続され、導体部110と同電位となるため、図では省略しているが、断熱容器20の外側には絶縁部材が設けられ、絶縁距離を確保している。また、断熱管120の内管がコルゲート管であるため、断熱容器20に接続された断熱管120の内管が冷却され熱収縮しても、それを吸収することができるので、断熱管120が熱収縮の影響を受けることはほとんどない。この例では、端末部材11を常電導材料で形成しているが、端末部材11の一部に超電導材料を用いてもよい。

＜実施例２＞
図５は、接続構造1における接続部10の別の一例であり、筒状体13を備える点が、図４に示す上記した実施例１の接続部10と異なる。筒状体13は、導体部110の先端部を摺動可能に収容し、断熱容器20内に絶縁部材（図示せず）を介して固定されている。また、筒状体13は、銅やアルミニウムなどの常電導材料で形成されており、導体部110に取り付けられた端末部材11と接触することによって電流を流すことができる接続構造により、導体部110と電気的に接続されている。そして、筒状体13と引き出し導体30とをフレキシブル導体12により電気的に接続することで、導体部110が筒状体13を介して引き出し導体30と電気的に接続されている。この接続部10の構成によれば、導体部110が筒状体13に摺動可能に収容されているため、導体部110が熱収縮する際に筒状体13に沿って移動することができるので、導体部110の熱収縮を吸収することが可能である。つまり、筒状体13は、導体部110を機械的にサポートすると共に、導体部110の可動方向を導体部110が熱伸縮する方向（導体部110の長手方向）に規制するガイド部材として機能する。

この例では、筒状体13を常電導材料で形成しているが、筒状体13は一部を超電導材料で形成してもよく、例えば、常電導材料で形成した筒状体13の外周面に超電導線材を配置してもよい。筒状体13と引き出し導体30とは、フレキシブル導体12に換えて、板状や棒状などの導体で接続してもよい。導体部110（端末部材11）と筒状体13とは、例えば、マルチコンタクトなどの電流を流すことができる接続構造により電気的に接続することが挙げられる。その他、別のフレキシブル導体を用意し、フレキシブル導体の一端を端末部材11の上面に、他端を筒状体13の内周面にそれぞれ接続して、フレキシブル導体によって電流を流すことができる接続構造により、導体部110（端末部材11）と筒状体13とを電気的に接続してもよい。

また、この例では、断熱容器20内に導体部110の摺動を補助する摺動補助部材14を備える。メンテナンス時など導体部110が温度上昇した際、導体部110が熱収縮から熱伸長に転じ、導体部110が筒状体13に引っ掛かって局所的に座屈する可能性がある。そこで、補助摺動部材14により、導体部110の熱伸長する方向の摺動を容易にすることで、導体部110が熱伸長する際に導体部110の摺動がスムーズになるようにしている。この例では、摺動補助部材14に引張バネを使用しており、熱伸長する方向（図中上方向）に導体部110を付勢するようにバネ14を筒状体13内に配置している。

さらに、この例では、導体部110の可動域を規制するストッパ15を備える。具体的には、導体部110が挿入される筒状体13の一端側開口部に径方向内方に突出するようにストッパ15が設けられており、導体部110が熱収縮した際に導体部110に装着された端末部材11がストッパ15に当て止めされる。これにより、導体部110が筒状体13から抜けることがなく、導体部110（端末部材11）と筒状体13との接続面積を確保でき、導体部110と引き出し導体13との間の電流流路を確保できる。

＜実施例３＞
図６は、接続構造1における接続部10の更に別の一例であり、引き出し導体30の引き出し方向が導体部110の延長方向である点が、図５に示す上記した実施例２の接続部10と異なる。この例では、引き出し導体30の先端部に筒状体13が取り付けられ、この引き出し導体30に固定されることで、筒状体13が断熱容器20に固定されている。また、筒状体13が導電材料で形成されており、導体部110が筒状体13を介して引き出し導体30と電気的に接続されている。

また、この例では、実施例２の接続部10と同様に、導体部110が熱伸長する方向に導体部110の摺動を補助する引張バネ14が筒状体13内に配置されている共に、導体部110の可動域を規制するストッパ15が筒状体13に設けられている。このバネ14により、導体部110の熱伸長する方向の摺動を容易にすることで、導体部110の摺動をスムーズにすることができる。また、ストッパ15により、導体部110が筒状体13から抜けることがなく、導体部110（端末部材11）と筒状体13との接続面積を確保でき、導体部110と引き出し導体13との間の電流流路を確保することができる。

なお、この例では、筒状体13を導電材料で形成し、筒状体13を介して導体部110と引き出し導体30とが電気的に接続されているが、この筒状体13をＦＲＰなどの複合材料やＰＴＦＥなどの絶縁性樹脂材料で形成してもよい。この場合、例えば図４に示す上記した実施例１の接続部10と同様に、導体部110と引き出し導体30とを導電材料からなるフレキシブル導体（編組線）により電気的に接続することで、接続部10を構成してもよい。例えば、バネ14に換えてフレキシブル導体を配置する、或いは、バネ14とフレキシブル導体とを並列に配置して、導体部110と引き出し導体30とをフレキシブル導体により電気的に接続することが挙げられる。この構成によっても、筒状体13を備えることで、筒状体13により導体部110を機械的にサポートすることができ、導体部110が熱伸縮する際に導体部110を筒状体13に沿って案内することができる。

上記した実施例１〜３では、本発明の接続構造1を端末接続構造に適用した場合における接続部10の構成例を説明したが、実施例１〜３の接続構造1における接続部10の構成は、超電導ケーブル同士を接続する中間接続構造に適用することも可能である。

＜実施例４＞
図７は、中間接続構造に適用した場合の接続構造における接続部の一例であり、接続対象が別の常電導超電導ケーブルの導体部である点が、図４〜６に示す上記した実施例１〜３の接続部10と異なる。

この例では、図７に示すように、接続対象が別の超電導ケーブル100の導体部110であり、一方（図中左側）の超電導ケーブル100の導体部110（超電導導体層112）と他方（図中右側）の超電導ケーブル100の導体部110（超電導導体層112）とを電気的に接続する接続部10が断熱容器20に収納されている。両方の導体部110には、実施例１の接続部10と同様に、常電導材料からなる端末部材11が取り付けられており、両方の導体部110が突き合わされた状態で筒状体13に摺動可能に収容されている。筒状体13は、実施例２の接続部10と同様に、常電導材料で形成されており、両導体部110に取り付けられた端末部材11と電気的に接続されることによって、両導体部110と電気的に接続されている。つまり、一方の導体部110が筒状体13を介して他方の導体部110（接続対象）と電気的に接続されている。なお、筒状体13は、図示しない絶縁材料からなる支持部材によって、断熱容器20内に固定されている。この接続部10の構成によれば、両導体部110が筒状体13に摺動可能に収容されているため、両導体部110が熱収縮する際に筒状体13に沿って移動することができるので、両導体部110の熱収縮を吸収することが可能である。ここで、図７において、断熱管120や断熱容器20の外側には絶縁処理が施され、主電気絶縁層や補強絶縁層が形成されているが、図示を省略している。また、両超電導ケーブル100の断熱管120の端部はそれぞれ断熱容器20に接続され、各断熱管120の内側と断熱容器20の内側の冷媒流通空間とが連通しており、両断熱管120が断熱容器20で接続される構造となる。

この例では、筒状体13を常電導材料で形成しているが、実施例２で説明したように、筒状体13の一部を超電導材料で形成してもよく、例えば、常電導材料で形成した筒状体13の外周面に超電導線材を配置してもよい。また、筒状体13を他方の導体部110に固定し、一方の導体部110のみが筒状体13に摺動可能に収容されている構成としてもよく、このような構成であっても、熱収縮する際に一方の導体部110が筒状体13に沿って移動することができるので、導体部110の熱収縮を吸収することが可能である。さらに、筒状体13をいずれか一方の導体部110に装着された端末部材11と一体化することで、電流の流れる接続部材を減らすことができる。また、この場合、筒状体13も導体部110の熱収縮によって導体部110と共に移動するので、断熱容器20内にガイド部材（図示せず）を設け、そのガイド部材に沿って筒状体13を摺動させ案内する形態が挙げられる。導体部110（端末部材11）と筒状体13とは、例えば、マルチコンタクトなどの電流を流すことができる接続構造により電気的に接続することが挙げられる。

また、この例では、実施例２の接続部10と同様に、導体部110が熱伸長する方向に導体部110の摺動を補助する引張バネ14が筒状体13内に配置されている。具体的には、バネ14は、熱伸長する方向に各導体部110を付勢する、即ち各導体部110を互いに近接する方向に引っ張るように設けられている。このバネ14により、両導体部110の熱伸長する方向の摺動を容易にすることで、両導体部110が熱伸長する際の摺動をスムーズにすることができる。

さらに、この例では、両導体部110が挿入される筒状体13の両端開口部に、実施例２の接続部10と同様に、ストッパ15が設けられており、両導体部110が熱収縮した際に両導体部110に装着された端末部材11がストッパ15に当て止めされる。このストッパ15により、両導体部110が筒状体13から抜けることがなく、導体部110（端末部材11）と筒状体13との接続面積を確保でき、一方の導体部110と他方の導体部110との間の電流流路を確保できる。

図７に示す上記した実施例４の接続部10では、筒状体13を導電材料で形成し、筒状体13を介して導体部110同士が電気的に接続されているが、この筒状体13をＦＲＰなどの複合材料やＰＴＦＥなどの絶縁性樹脂材料で形成してもよい。この場合、導体部110同士を、例えば図４に示す上記した実施例１の接続部10と同様に、導電材料からなるフレキシブル導体（編組線）により電気的に接続することで、接続部10を構成してもよい。例えば、バネ14に換えてフレキシブル導体を配置する、或いは、バネ14とフレキシブル導体とを並列に配置して、導体部110同士をフレキシブル導体により電気的に接続することが挙げられる。この構成によっても、筒状体13を備えることで、筒状体13により導体部110を機械的にサポートすることができ、導体部110が熱伸縮する際に導体部110を筒状体13に沿って案内することができる。

以上説明した本発明に係る常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造によれば、接続対象と断熱容器に対して導体部の熱収縮による可動を許容しながら導体部と接続対象とを電気的に接続する接続部を備えることで、冷却時の導体部の熱収縮を吸収することが可能である。したがって、熱収縮による応力を緩和し、熱収縮によって導体部（超電導導体）がダメージを受けることを防止できる。さらに、昇温時に導体部が熱伸長しても、導体部の伸び出しを吸収することが可能であり、導体部の熱伸縮による可動を許容することができる。また、熱収縮時の応力を緩和することで、中間接続構造や端末接続構造に設けられる導体部を拘束するための固定部材を簡素化できると共に、超電導ケーブルの曲がり部において、導体部の熱収縮によって、断熱管が側圧を受けることによる侵入熱の増加も抑制することができる。

なお、上述した実施の形態は、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、本発明の範囲は上述した構成に限定されるものではない。例えば、摺動補助部材であるバネ14の位置や形態を適宜変更してもよい。具体例としては、図５に示す接続構造1において、導体部110の外周にフランジを取り付けておき、圧縮バネの一端側を断熱容器20に固定し、他端側を上記フランジに当接させることでも、導体部110を熱伸長する方向に付勢することが可能である。

本発明の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造は、常温絶縁型超電導ケーブルを用いた線路を構築する場合に、中間接続構造や端末接続構造に好適に利用することが可能である。

1 接続構造
10 接続部
11 端末部材 12 フレキシブル導体（編組線）
13 筒状体（ガイド部材）
14 バネ（摺動補助部材）
15 ストッパ
20 断熱容器
22 嵌合部
30 引き出し導体（接続対象）
32 断熱部材
100,101,102 常温絶縁型超電導ケーブル
110 導体部
111 フォーマ 112 超電導導体層
115 保護層
120 断熱管
121 内管 122 外管
130 主電気絶縁層
131 外部導体
140 管状支持部材
200 碍管
220,230 冷媒配管
225 絶縁継手 226 断熱部

Claims (12)

1. 超電導導体層を有する導体部と、前記導体部を収納し、前記超電導導体層を冷却する冷媒が流通する断熱管と、前記断熱管の外側に形成される主電気絶縁層と、を備える常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造であって、
   前記断熱管の端部から引き出された前記導体部と接続対象とを電気的に接続する接続部と、
   前記接続部を収納する断熱容器と、を備え、
   前記接続部は、前記接続対象と前記断熱容器に対して前記導体部の熱収縮による可動を許容しながら前記導体部と前記接続対象とを電気的に接続することを特徴とする常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
2. 前記接続対象が、常温側に引き出される引き出し導体であることを特徴とする請求項１に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
3. 前記接続対象が、別の常温絶縁型超電導ケーブルの導体部であることを特徴とする請求項１に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
4. 前記導体部と接触し、前記導体部を摺動させ案内するガイド部材を前記断熱容器内に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
5. 前記ガイド部材が、前記導体部を摺動可能に収容する筒状体であることを特徴とする請求項４に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
6. 前記断熱容器内に前記導体部の摺動を補助する摺動補助部材を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
7. 前記筒状体の少なくとも一部が導電材料で形成され、
   前記導体部が前記筒状体と電気的に接続されており、
   前記導体部が、前記筒状体を介して、前記接続対象と電気的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
8. 前記導電材料の一部が超電導材料であることを特徴とする請求項７に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
9. 前記導体部と前記筒状体とが、マルチコンタクトにより電気的に接続されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
10. 前記導体部と前記筒状体とが、フレキシブル導体により電気的に接続されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
11. 前記導体部の可動域を規制するストッパを備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。
12. 前記導体部と前記接続対象とが、フレキシブル導体により電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の常温絶縁型超電導ケーブルの接続構造。

Images