JP2013178957A - 導体接続構造、および超電導機器の端末構造 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導導体と常電導導体との境界部における電流の集中を緩和することができる導体接続構造を提供する。
【解決手段】導体接続構造１Ａは、超電導導体２Ａと常電導導体３Ａとが接続されてなる。導体接続構造１Ａはさらに、超電導導体２Ａにおける常電導導体３Ａに対向する面に電気的に接続され、当該超電導導体２Ａに流れる電流を分流する所定長さの分流用超電導部材４Ａを備える。分流用超電導部材４Ａにおける常電導導体４Ａとの接続端αは、超電導導体２Ａにおける常電導導体４Ａとの接続端γから突出せずに離隔している。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導導体と常電導導体とが接続されてなる導体接続構造、およびこの導体接続構造を適用した超電導機器の端末構造に関するものである。

超電導導体は、常電導導体と接続されて利用される。その超電導導体と常電導導体との導体接続構造の代表例として、超電導ケーブルなどの超電導機器と、その超電導機器に備わる超電導導体の端末に接続される常電導導体と、を備える超電導機器の端末構造が挙げられる（例えば、特許文献１を参照）。以下、超電導ケーブルを例にして超電導機器の端末構造を説明する。

超電導ケーブルの代表的な構成を図６に示す。図６に示す超電導ケーブル１００は、ケーブルコア１０を断熱管２０内に収納した構造を備える。断熱管２０は、内管２１と外管２２とからなる二重管構造のコルゲート管であり、両管２１、２２の間にはスーパーインシュレーションなどの断熱材２３が配されている。また、断熱管２０のうち外管２２の外周には防食層２４が形成されている。

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、電気絶縁層１３、ケーブル遮蔽層１４、保護層１５を備える。フォーマ１１は、超電導導体層１２を保形する断面略円形の部材である。超電導導体層１２は、フォーマ１１の外周に超電導線材を螺旋状に単層あるいは多層に巻回することで形成されている。電気絶縁層１３は、超電導導体層１２の外周に絶縁性材料を巻回して形成されている。ケーブル遮蔽層１４は、電気絶縁層１３の外周に、超電導導体層１２と同様の超電導線材を螺旋状に巻回して形成されており、ケーブル１００の外部への磁界の漏洩を防止する。また、保護層１５は、保護層１５より内側の層が断熱管２０の内管２１に接触することを防止する層で、クラフト紙や布などにより形成されている。

図７（Ａ）は、上述した超電導ケーブルの端末構造２０１における超電導導体と常電導導体との接続箇所近傍の状態を部分的に示す概略半断面図である。当該端末構造２０１は、筒状の常電導導体３０の挿入穴に超電導ケーブル１００の端部を挿入し、両者を半田付けするなどして構成される。なお、図７（Ａ）では、超電導ケーブル１００として、フォーマ１１と超電導導体層１２と電気絶縁層１３のみを図示し、超電導導体層１２は複数の超電導線材を巻回してなる層状の超電導導体１２１，１２３の二層構造であって、両超電導導体１２１，１２３の間に層間絶縁層１２２を備える構成を例示している。

特開２００９−１７１７４３号公報

近年、超電導導体を構成する超電導線材の研究が盛んに行なわれており、各超電導線材に流れる電流密度が向上している。その電流密度の増大に伴い、次に示すような不具合が生じることが懸念されている。

図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の点線で囲った部分の拡大図であり、図中の白抜き矢印は電流の流れ、矢印の大きさは電流密度の大小を示す。この図の白抜き矢印に示すように、超電導導体１２１から常電導導体３０に向かって電流が流れる場合、超電導導体１２１の端部に電流が集中し易く、その電流が集中した箇所で常電導導体３０の発熱量が大きくなり易い。特に、超電導導体１２１に流通させる電流の電流密度が高くなると、それに応じて常電導導体３０の発熱量も大きくなる。そうなると、超電導導体１２１の温度が上がって、超電導導体１２１の臨界電流値が低下する、即ち、超電導ケーブルの送電容量が低下する恐れがある。なお、常電導導体３０から超電導導体１２１に向かって電流が流れる場合、図７（Ｂ）の矢印の向きが変わるだけで、両者３０，１２１の境界部において電流の局所的な集中が生じることに変わりはない。

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、超電導導体と常電導導体との境界部における電流の集中を緩和することができる導体接続構造を提供することにある。また、本発明の別の目的は、本発明導体接続構造を適用した超電導機器の端末構造を提供することにある。

本発明導体接続構造は、超電導導体と常電導導体の端部同士をオーバーラップさせて接続した導体接続構造であって、超電導導体における常電導導体に対向する面に電気的に接続され、当該超電導導体に流れる電流を分流する所定長さの分流用超電導部材を備える。この本発明導体接続構造は、分流用超電導部材における常電導導体との接続端αが、超電導導体における常電導導体との接続端γから突出せずに離隔していることを特徴とする。

上記本発明の構成によれば、従来構成よりも超電導導体と常電導導体との境界部における電流の集中を緩和できる。それは、超電導導体から常電導導体に向かって電流が流れる場合を例にすれば、超電導導体を流れる電流の一部を分流用超電導部材に分流させ、超電導導体および分流用超電導部材から常電導導体に電流を分散させて流すことができるからである。分流用超電導部材から常電導導体に乗り移る電流の密度が最も高くなる分流用超電導部材の接続端αと、超電導導体から常電導導体に乗り移る電流の密度が最も高くなる超電導導体の接続端γとが離隔されていることも、電流の集中を緩和できる重要な要因である。ここで、常電導導体から超電導導体に向かって電流が流れる場合、常電導導体から超電導導体および分流用超電導部材に電流を分散させて流すことができる。いずれにせよ、超電導導体と常電導導体との境界部における電流の集中を緩和することができる。

本発明導体接続構造の一形態として、超電導導体と常電導導体との長手方向の接触長さ、および分流用超電導部材と常電導導体との長手方向の接触長さの合計をＸとし、超電導導体の接続端γから分流用超電導部材の端部βまでの長さをＹとしたとき、Ｙ＞Ｘである形態を挙げることができる。ここで、分流用超電導部材の端部βとは、分流用超電導部材の両端部のうち、常電導導体との接続端αとは反対側の端部のことである。

上記構成とすることで、超電導導体と分流用超電導部材との接触長を十分に確保することができるため、超電導導体に流れる電流を十分に分流用超電導部材に分流させることができる。その結果、上記境界部における電流の集中を効果的に緩和できる。

本発明導体接続構造の一形態として、基準長さＡに対し、超電導導体と常電導導体との長手方向の接触長さＬ１、および分流用超電導部材と常電導導体との長手方向の接触長さＬ２は、Ｌ１＋Ｌ２≧Ａを満たす形態を挙げることができる。より好ましくは、さらに、Ｌ１≧Ａ、およびＬ２≧Ａの少なくとも一方を満たす形態である。ここで、基準長さＡとは、分流用超電導部材を有さない通常の導体接続構造において、超電導導体と常電導導体の寸法、並びに導体接続構造近傍の空間的制約から決定される超電導導体と常電導導体との長手方向の接触長さのことである。具体的には、基準長さＡは、２５ｍｍ以上である。

上記構成とすることで、より確実に分流用超電導部材に電流を分流させることができ、上記境界部における電流の集中を緩和することができる。

本発明導体接続構造の一形態として、超電導導体が層状に複数積層され、かつ各超電導導体の間に層間絶縁層を備える形態を挙げることができる。このような構成を備える超電導機器として代表的には、超電導ケーブルを挙げることができる。

複数層の超電導導体を備える本発明導体接続構造において、超電導導体が複数の超電導線材からなり、各超電導線材に対して分流用超電導部材が個別に接続されている構成とすることができる。

上記構成の具体例として、例えば、実施形態２の図４に示すように、螺旋状に巻回された超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ…のそれぞれに対して分流用超電導部材４Ｂを個別に取り付ける構成を挙げることができる。この構成によれば、各超電導線材から分流用超電導部材に確実に電流を分流させることができる。

複数層の超電導導体を備える本発明導体接続構造において、超電導導体は複数の超電導線材からなり、その層状の超電導導体全体に対して分流用超電導部材が接続されている構成とすることができる。

上記構成の具体例としては、例えば、実施形態２の図５に示すように、複数の超電導線材４Ｂａ，４Ｂｂ，４Ｂｃ…をブラインド状に束ねた分流用超電導部材４Ｂを、螺旋状に巻回された超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ…からなる層状の超電導導体２Ｂに巻き付ける構成を挙げることができる。この構成によれば、超電導導体２Ｂ全体に容易に分流用超電導部材４Ｂを接続することができる。

本発明超電導機器の端末構造は、超電導導体を備える超電導機器と、この超電導導体の端末に接続される常電導導体と、を備える超電導機器の端末構造であって、当該超電導導体と常電導導体との接続に、本発明導体接続構造を適用したことを特徴とする。

上記構成によれば、超電導機器に備わる超電導導体と、この超電導導体と電流の遣り取りをする常電導導体と、の境界部における電流の集中を緩和でき、常電導導体の発熱量を低下させることができる。

本発明導体接続構造は、超電導導体と常電導導体との境界部における電流の集中を緩和することができる。

実施形態１に記載される超電導導体と常電導導体との導体接続構造の概略図である。 （Ａ）は、分流用超電導部材を有さない通常の導体接続構造の概略図、（Ｂ）〜（Ｄ）は、（Ａ）で規定される基準長さＡに基づいて超電導導体と常電導導体との接触長、および分流用超電導部材と常電導導体との接触長を変化させた導体接続構造の概略図である。 実施形態１に記載される導体接続構造を適用した超電導ケーブルの端末構造における超電導導体と常電導導体との接続箇所近傍の状態を部分的に示す概略半断面図である。 複数の超電導線材からなる超電導導体の各超電導線材に対して分流用超電導部材を接続する構成を説明する説明図である。 複数の超電導線材からなる超電導導体全体に対して分流用超電導部材を接続する構成を説明する説明図である。 超電導ケーブルのカットモデルの概略斜視図である。 （Ａ）は、従来の超電導ケーブルの端末構造における超電導導体と常電導導体との接続箇所近傍の状態を部分的に示す概略半断面図、（Ｂ）は（Ａ）の点線で囲った部分の拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。各実施形態で共通の構成がある場合、その構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。また、図中に示される白抜き矢印は電流の流れを示し、その矢印の大きさは電流密度の概略的な大小を示す。

＜実施形態１＞
図１に示す実施形態１の導体接続構造１Ａは、超電導導体２Ａと常電導導体３Ａとを接続することで形成される。この導体接続構造１Ａはさらに、超電導導体２Ａに流れる電流を分流する分流用超電導部材４Ａを備える。これらの部材２Ａ，３Ａ，４Ａ間は、半田などの適宜な手段で接続されている。

分流用超電導部材４Ａは、超電導導体２Ａにおける常電導導体３Ａ側の面（紙面上側の面）に設けられている。この分流用超電導部材４Ａの常電導導体３Ａとの接続端α（即ち、紙面左側端部）は、超電導導体２Ａの常電導導体３Ａとの接続端γよりも超電導側（即ち、紙面右側）に位置している。つまり、両部材４Ａ，２Ａの接続端α，γは、長手方向に離隔されている。

また、上記分流用超電導部材４Ａと超電導導体２Ａとの長手方向の接触長さは、長ければ長い方が好ましい。具体的には、超電導導体２Ａと常電導導体３Ａとの長手方向の接触長さ、および分流用超電導部材４Ａと常電導導体３Ａとの長手方向の接触長さの合計をＸとし、超電導導体２Ａの常電導導体３Ａとの接続端αから分流用超電導部材４Ａの端部βまでの長さをＹとしたとき、Ｙ＞Ｘとすることが好ましい。

上記構成によれば、例えば紙面右方向から電流が超電導導体２Ａを流れてきたと仮定した場合、その電流を、分流用超電導部材４Ａに分流させることができる。その結果、電流が分流する位置から紙面左側で、超電導導体２Ａと分流用超電導部材４Ａにおける電流密度が、超電導導体２Ａにもともと流れていた電流の電流密度よりも大幅に小さくなる。加えて、超電導導体２Ａの接続端γと、分流用超電導部材４Ａの接続端αとが、互いに離隔しているため、電流を分散させて常電導導体３Ａに乗り移らせることができ、その結果として超電導導体２Ａと常電導導体３Ａとの境界部における電流の集中を緩和することができる。

なお、図１に示す実施形態１の構成において、分流用超電導部材４Ａの端部βは、常電導導体３Ａの端面と面一であっても良い（即ち、Ｘ＝Ｙ）。この構成であっても、超電導導体２Ａから分流用超電導部材４Ａに電流を分流させることができる。

＜変形実施形態＞
図１に示す常電導導体３Ａにおける電流の集中を緩和するには、超電導導体２Ａと常電導導体３Ａとの接触長さ（以下、Ｌ１とする）、および分流用超電導部材４Ａと常電導導体３Ａとの接触長さ（以下、Ｌ２）の合計長さ（即ち、上述した長さＸ）を長くすることが好ましい。以下、Ｌ１＋Ｌ２（＝Ｘ）の好ましい値について図２を参照して説明する。

図２（Ａ）は、従来の導体接続構造、即ち、分流用超電導部材を有さない導体接続構造の概略図である。この場合の超電導導体２Ａと常電導導体３Ａとの接触長さを、上記Ｌ１＋Ｌ２の好ましい値を決定する上での基準長さＡとする。この基準長さＡは、超電導導体２Ａと常電導導体３Ａの寸法、並びに導体接続構造近傍の空間的制約から決定されるものである。例えば、基準長さＡは２５ｍｍ以上とすることが挙げられる。この数値は、本出願人が蓄積した過去のデータに基づくものであり、超電導導体２Ａと常電導導体３Ａとの接続作業のし易さ、両者２Ａ，３Ａの接触安定性などを考慮したものである。

上記基準長さＡを踏まえて、図２（Ｂ）に示すように、Ｌ１＋Ｌ２≧Ａを満たすように各部材２Ａ，３Ａ，４Ａの接触長さを規定すると良い。Ｌ１＋Ｌ２≧Ａを満たすことに加えて、Ｌ２≧Ａ（図２（Ｃ）参照）、あるいはＬ１≧Ａ（図２（Ｄ）参照）を満たすように各部材２Ａ，３Ａ，４Ａの接触長さを規定することがより好ましい。もちろん、設置空間に余裕があるのであれば、Ｌ１≧Ａ、およびＬ２≧Ａの両方を満たすように、各部材２Ａ，３Ａ，４Ａの接触長さを規定することが好ましい。

＜実施形態２＞
実施形態２では、超電導ケーブルの端末構造に、実施形態１の導体接続構造を適用した例を図３〜５に基づいて説明する。

図３は、超電導ケーブルの端末構造における超電導導体と常電導導体との接続箇所近傍の状態を部分的に示す概略半断面図である。図３の超電導ケーブルの端末構造２００に用いる超電導ケーブル１００の基本構成は、図６に示す超電導ケーブル１００と同じである。但し、図３では、ケーブルコア１０の構成として、フォーマ１１と超電導導体層１２と電気絶縁層１３のみを示す。また、超電導導体層１２は２層の超電導導体２Ｂ，２Ｂと、それら超電導導体２Ｂ，２Ｂの間に配置される層間絶縁層５とからなる構成とした。もちろん、超電導導体は３層以上あっても良い。

本例における常電導導体３Ｂは、その内部に超電導ケーブル１００の各構成を収納する挿入穴を有する棒状の導電部材とした。ここで、図面上、常電導導体３Ｂは一つの部材として示すが、これに限定されるわけではなく、複数の部材から構成されていても良い。例えば、常電導導体は、挿入穴を有する棒状部材と、この筒状部材の挿入穴に超電導ケーブルの各構成を接続する半田と、を備える構成とすることができる。

上述した超電導ケーブル１００と常電導導体３Ｂとを接続することで構成される超電導ケーブルの端末構造２００では、内層側から順に超電導導体層１２の構成部材２Ｂ、４Ｂ、２Ｂ、４Ｂの端部が階段状に段剥ぎされている。そして、その段剥ぎされた超電導導体層１２の超電導導体２Ｂ，２Ｂのそれぞれに分流用超電導部材４Ｂ，４Ｂが接続されている。超電導導体層１２の長手方向における各超電導導体２Ｂ，２Ｂに対する分流用超電導部材４Ｂ，４Ｂの接続位置は、実施形態１の構成と同様である。具体的には、各超電導導体２Ｂ，２Ｂに対して、Ｙ＞Ｘとなるように、超電導導体２Ｂに分流用超電導部材４Ｂを接続している（Ｘ＝部材２Ｂと部材３Ｂとの接触長さ＋部材４Ｂと部材３Ｂとの接触長さ、Ｙ＝部材２Ｂの紙面左側にある接続端〜部材４Ｂの紙面右側端部）。

超電導導体２Ｂに対する分流用超電導部材４Ｂの接続の仕方として、次の２つを挙げることができる。まず１つ目は、図４に示すように、超電導導体２Ｂを構成する超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ…のそれぞれに対して分流用超電導部材４Ｂを個別に接続する構成である。その場合、超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ…が螺旋状に巻回されているので、その螺旋の方向に沿って分流用超電導体４Ｂを超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ…に接続する。そうすることで、各超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ…から分流用超電導部材４Ｂに確実に電流を分流させることができる。

次に、２つ目の接続の仕方として、図５に示すように、超電導導体２Ｂを構成する超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ…を区別することなく一体物として扱い、超電導導体２Ｂ全体に対して分流用超電導部材４Ｂを接続する構成である。その場合、例えば、図５に示すように、複数の超電導線材４Ｂａ，４Ｂｂ，４Ｂｃ…を平行に並列し、その複数の超電導線材の並列状態を同線材に交差（ここでは直交）する連結部材で保持したブラインド状の分流用超電導部材４Ｂを用意し、そのブラインド状の分流用超電導部材４Ｂを導体層２Ｂに巻き付けることで、超電導導体２Ｂに分流用超電導部材４Ｂを接続すると良い。この場合、超電導線材４Ｂａ，４Ｂｂ，４Ｂｃ…の長手方向と、超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ…の螺旋の方向とが交差しているため、互いの超電導線材は一対一の関係になっていない（例えば、超電導線材４Ｂａは、超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃに接続される）。超電導線材４Ｂａ，４Ｂｂ，４Ｂｃ…は超電導ケーブルの軸方向に沿って縦添えされているのに対し、超電導線材２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ…はその軸方向に対して螺旋状に巻回されているからである。この構成によれば、超電導導体を構成する超電導導体２Ｂに容易に分流用超電導部材４Ｂを接続することができる。

図４あるいは図５に例示したように超電導導体２Ｂに分流用超電導部材４Ｂを接続した超電導ケーブルの端末構造２００では、図３に示すように、超電導導体２Ｂ，２Ｂの間に形成される層間絶縁層５が、分流用超電導部材４Ｂが接続される部分、より具体的には外層側の超電導導体２Ｂの端部にまで延長して形成されている。そうすることで、分流用超電導部材４Ｂ，４Ｂを接続した超電導導体２Ｂ，２Ｂ間の絶縁を確保し、分流用超電導部材４Ｂ，４Ｂを設けたことによる効果（常電導状態３Ｂにおける電流の集中の緩和）を維持することができる。また、この端末構造２００では、分流用超電導部材４Ｂ，４Ｂが接続された超電導導体層１２の外周のうち、電気絶縁層１３と常電導導体３Ｂから露出する部分は、その部分を機械的に把持・保護する保護部材６で覆われている。保護部材６は、上記露出部分に金属線を巻回し、さらにその上に絶縁紙を巻回するなどして形成することができる。

なお、本発明は、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において適宜変更することが可能である。

本発明導体接続構造は、超電導ケーブルなどの超電導機器の端末構造を形成することなどに好適に利用することができる。

１Ａ，１Ｂ 導体接続構造
２Ａ，２Ｂ 超電導導体 ２Ｂａ〜２Ｂｃ 超電導線材
３Ａ，３Ｂ 常電導導体
４Ａ，４Ｂ 分流用超電導部材 ４Ｂａ，４Ｂｂ，４Ｂｃ 超電導線材
５ 層間絶縁層 ６ 保護部材
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 電気絶縁層
１４ ケーブル遮蔽層 １５ 保護層
１２１，１２３ 超電導導体 １２２ 層間絶縁層
２０ 断熱管
２１ 内管 ２２ 外管 ２３ 断熱材 ２４ 防食層
３０ 常電導導体
２００，２０１ 超電導ケーブルの端末構造

Claims (9)

1. 超電導導体と常電導導体の端部同士をオーバーラップさせて接続した導体接続構造であって、
   前記超電導導体における前記常電導導体に対向する面に電気的に接続され、当該超電導導体に流れる電流を分流する所定長さの分流用超電導部材を備え、
   前記分流用超電導部材における前記常電導導体との接続端αは、前記超電導導体における前記常電導導体との接続端γから突出せずに離隔していることを特徴とする導体接続構造。
2. 前記超電導導体と前記常電導導体との長手方向の接触長さ、および前記分流用超電導部材と前記常電導導体との長手方向の接触長さの合計をＸとし、
   前記超電導導体の接続端γから前記分流用超電導部材の端部βまでの長さをＹとしたとき、
   Ｙ＞Ｘであることを特徴とする請求項１に記載の導体接続構造。
   ここで、前記端部βは、前記分流用超電導部材の両端部のうち、前記常電導導体との接続端αとは反対側の端部のことである。
3. 前記分流用超電導部材を有さない通常の導体接続構造において、前記超電導導体と前記常電導導体の寸法、並びに導体接続構造近傍の空間的制約から決定される前記超電導導体と前記常電導導体との長手方向の接触長さを基準長さＡとしたとき、
   前記超電導導体と前記常電導導体との長手方向の接触長さＬ１、および前記分流用超電導部材と前記常電導導体との長手方向の接触長さＬ２は、Ｌ１＋Ｌ２≧Ａを満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の導体接続構造。
4. Ｌ２≧Ａであることを特徴とする請求項３に記載の導体接続構造。
5. Ｌ１≧Ａであることを特徴とする請求項３または４に記載の導体接続構造。
6. 前記超電導導体が層状に複数積層され、かつ各超電導導体の間に層間絶縁層を備え、
   各超電導導体に対して前記分流用超電導部材が接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の導体接続構造。
7. 層状に形成された前記超電導導体は複数の超電導線材からなり、各超電導線材に対して前記分流用超電導部材が個別に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の導体接続構造。
8. 層状に形成された前記超電導導体は複数の超電導線材からなり、その層状の超電導導体全体に対して前記分流用超電導部材が接続されていることを特徴とする請求項６に記載の導体接続構造。
9. 超電導導体を備える超電導機器と、前記超電導導体の端末に接続される常電導導体と、を備える超電導機器の端末構造であって、
   前記超電導導体と前記常電導導体との接続に、請求項１〜８のいずれか一項に記載の導体接続構造を適用したことを特徴とする超電導機器の端末構造。

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