JP2014143812A - 超電導ケーブルの端末構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】多層構造の超電導ケーブルを複数の引出導体に接続する場合に、接続の信頼性を向上し得る、超電導ケーブルにおける端末構造体を提供すること。
【解決手段】超電導ケーブル110は筒状電極120−1、120−2を貫通し、超電導110の超電導テープ115、113が筒状電極120−1、120−2の外面に電気的に接続されている。超電導ケーブル110と、この超電導ケーブル110が貫通する筒状電極120−1との間には、緩衝材140が設けられている。これにより、超電導ケーブルの外面と筒状電極120−1の内面がぶつかることに起因する超電導テープ113の損傷を防止することができ、この結果、接続の信頼性を向上できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、多層構造の超電導ケーブルにおける端末構造体に関する。
一般に、超電導ケーブルにおいては、フォーマ(心材)の外周に超電導テープがスパイラル状に巻回されている。また、大電流送電を可能とするために、超電導テープは、同心円状に多層に配置されている場合が多い。多層配置された超電導テープの層間(すなわち超電導テープの間)には、超電導テープを押えたり、超電導テープ間での電気絶縁をとるための、押えテープが設けられる。
このような多層構造の超電導ケーブルを極低温部から常温部に引き出すための、超電導ケーブルの端末構造体(超電導ケーブルの終端部の構成と言ってもよい)が、特許文献1−3などに記載されている。これらの特許文献には、超電導テープの層数と同じ数の引出導体のそれぞれに、各層の超電導テープを接続することで、極低温部に配された超電導ケーブルを複数の引出導体を用いて常温部に引き出す構成が記載されている。
特開2001−6453号公報 特開平11−73824号公報 特開2004−265715号公報
ところで、多層構造の超電導ケーブルにおける端末構造体においては、複数の超電導テープを複数の引出導体に接続する必要があるので、その接続部分の構成が必然的に複雑となる。その結果、接続の信頼性が低下するおそれがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、多層構造の超電導ケーブルを複数の引出導体に接続する場合に、接続の信頼性を向上し得る、超電導ケーブルにおける端末構造体を提供する。
本発明の超電導ケーブルの端末構造体の一つの態様は、
同心円状に多層配置された超電導線材を有する、超電導ケーブルと、
前記超電導線材が終端接続される筒状の電極と、
を有する超電導ケーブルの端末構造体であって、
前記超電導ケーブルは、前記筒状電極の内部を通過し、
前記超電導線材は、前記筒状電極の外面に電気的に接続され、
前記超電導ケーブルと前記筒状電極との間には、緩衝材が設けられている。
本発明によれば、超電導ケーブルと筒状電極との間に緩衝材が設けられているので、筒状電極の内部を通過する超電導ケーブルの超電導線材が、筒状電極の内面の力を受けることによって損傷することを防止できる。この結果、接続の信頼性が向上した端末構造体を実現できる。
実施の形態に係る超電導ケーブルの端末構造体の概略構成を示す断面図 同端末構造体を筒状電極の後方から見た要部構成図 超電導テープの巻回状態を示す図 図1のA−A’断面を示す断面図 他の実施の形態の構成を示す断面図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る超電導ケーブルの端末構造体の概略構成を示す断面図である。実施の形態では、説明を簡単化するために、超電導ケーブルが2層構造すなわち2層の超電導テープを有する場合を例示するが、3層構造以上すなわち3層以上の超電導テープを有する場合でも、本発明を適用可能である。図2は、端末構造体を後方側(つまり図1の右側)から見た要部構成図である。
端末構造体100は、超電導ケーブル110および筒状の引出用電極(以下、筒状電極と呼ぶ)120を有する。筒状電極120は、超電導テープの層数分だけ設けられている。本実施の形態の例では、超電導ケーブル110の超電導テープの層数が2層なので、2個の筒状電極120−1、120−2が設けられている。各筒状電極120−1、120−2には、リードケーブル130−1、130−2が電気的に接続されている。実際の使用時には、超電導ケーブル110および筒状電極120は、液体窒素などの極低温の液体に浸される。そして、超電導ケーブルの電流が、筒状電極120を介してリードケーブル130によって常温部に引き出されるようになっている。例えば、リードケーブル130は、ポリマー套管(図示せず)などを介して気中に導出される。
超電導ケーブル110は、内部安定化層(フォーマ)111、押えテープ112、第1の超電導テープ113、押えテープ114、第2の超電導テープ115を有する。内部安定化層111は、円筒形状であり、銅の撚線から構成されている。内部安定化層111の外周には、不織布からなる押えテープ112が巻回されている。押えテープ112の外周には、第1の超電導テープ113が、図3に示すように、スパイラル状に巻回されている。第1の超電導テープ113の外周には、不織布からなる押えテープ114が巻回されている。押えテープ114の外周には、第2の超電導テープ115が第1の超電導テープ113と同様にスパイラル状に巻回されている。本実施の形態の例では、1層あたり10本の超電導テープがスパイラル状に巻回されている。つまり、第1の超電導テープ113および第2の超電導テープ115は、それぞれ、10本の超電導テープから構成されている。超電導テープ113、115の材料としては、従来提案されている種々の超電導材料を用いることができる。また、超電導テープ113、115は、必ずしもテープ状でなくてもよく、超電導線材であればよい。
実際には、超電導ケーブル110は、第2の超電導テープ115の外周側に、電気絶縁層や、超電導シールド層、外部安定化層、コルゲート管などが設けられているが、これらの部材は、超電導テープ113、115が筒状電極120に接続される端末箇所では取り除かれるので、図1ではこれらは省略して示してある。
筒状電極120(120−1、120−2)は、全体として筒状であり、円筒部121とテーパー部122とを有する。筒状電極120は、図2から明らかなように、超電導ケーブル110が内部を貫通できる中空構造となっている。超電導ケーブル110の超電導テープ113、115のうち、最外周側に設けられた第1の超電導テープ115は、最も終端側から遠くに設けられた筒状電極120−1の外面に半田によって接続される。最外周から2番目(図1の例の場合、最内周)に設けられた第2の超電導テープ113は、終端側から2番目(図1の例の場合、最も終端側)に設けられた筒状電極120−2の外面に半田によって接続される。つまり、終端側に向かって超電導ケーブル110を順次複数の筒状電極120−1、120−2を貫通させつつ、終端側に向かって外周側の超電導テープ115、113から順に1つずつ筒状電極120−1、120−2の外面に接続される。
超電導テープ115、113は、筒状電極120−1、120−2のテーパー部122の外面に、半田により電気的に接続される。このように、超電導テープ115、113をテーパー部122に接続したことにより、超電導テープをあまり折り曲げずに接続させることができるので、接続部分のテンションを小さくできるので接続の信頼性が向上するとともに、接続時の作業性が向上する。
かかる構成に加えて、筒状電極120−1の内面と、この筒状電極120−1を貫通する超電導ケーブル110の外面との間には、緩衝材140が設けられている。これにより、筒状電極120−1の内面が超電導ケーブル110の外面に当たることによる、超電導テープ113の損傷を防止することができる。ちなみに、最も終端側の筒状電極120−2の内面と、この筒状電極120−2を貫通する超電導ケーブル110の外面との間に、緩衝材140が設けられていないのは、筒状電極120−2を貫通する超電導ケーブル110には既に超電導テープが存在しない(つまり保護すべき超電導テープが存在しない)からである。
ここで、緩衝材140としては、FRP(Fiber Reinforced Plastics)を用いることが好ましい。FRPとは、繊維強化プラスチックであり、ガラス繊維などの繊維をプラスチックの中に入れて強度を向上させた複合材料のことをいう。なお、FRPであれば、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)、ポリエチレン繊維強化プラスチック(DFRP)、また炭素繊維強化プラスチック(CFRP)などでも構わない。さらに、緩衝材140としては、FRPに限らず、筒状電極120−1の内面のエッジ部分などの力を、超電導テープ113にダイレクトに伝えずに、その力を遮る程度の剛性、またはその力を吸収できる程度の弾性を有する種々の材料を用いることができる。ただし、緩衝材140は、極低温の液体に浸されることになるので、極低温に耐えることができることが求められる。本実施の形態の場合、緩衝材140は、テープ状であり、超電導ケーブル110の外面に貼り付けられている。なお、緩衝材140は、超電導ケーブルの外面に塗布するタイプのものであってもよい。
本実施の形態の場合、緩衝材140は、超電導ケーブル110の長手方向への長さが160mm、厚さ0.1mmのFRPが、押えテープ114の外周上に、10枚配置されて構成されている。
因みに、超電導テープ113と筒状電極120−1との間には、押えテープ114も存在するが、押えテープ114は不織布なので緩衝作用はほとんど期待できない。従って、押えテープ114だけでは、筒状電極120−1の内面の力によって超電導テープ113が損傷する可能性がある。よって、緩衝材140を設けることは、超電導テープ113の損傷を防止する上で非常に有用である。
実際上、緩衝材140は、超電導ケーブル110を筒状電極120−1、120−2に接続するときに、作業者によって取り付けられる。具体的には、作業者は、先ず、筒状電極120−1が当接する可能性があると思われる超電導ケーブル110の外周位置に、緩衝材140を取り付ける。次に、作業者は、緩衝材140が取り付けられた超電導ケーブル110を筒状電極120−1に挿し込む。その後、作業者は、超電導テープ115を筒状電極120−1の外面に半田によって接続する。
図4は、図1のA−A’断面を示す。なお、図4では、図を簡単化するために、外周側の超電導テープ115(図1)は省略して示してある。
超電導テープ113は、図3および図4からも分かるように、複数の超電導テープ(本実施の形態の場合、10本)が各テープ間に若干の間隔113Sを空けてスパイラル状に巻回されている。超電導テープ115も同様である。一方、押えテープ112、114は、それぞれ、1本の不織布が間隔を空けずにスパイラル状に巻回されている。超電導テープ113、115としては、例えば、厚さ0.1mm、幅5mmの超電導テープが撚ピッチ250mmで、10枚巻回されている。押えテープ112、114としては、例えば、厚さ0.2mm、幅45mmの不織布が1/2ラップ巻きされている(つまり、テープ幅の半分ずつがオーバーラップして巻回されている)。
テープ状の緩衝材140は、図4に示すように、押えテープ114の外周面に、隣の緩衝材140との間に隙間140Sを空けて設けられる。緩衝材140は、スパイラル状に巻回されていてもよいし、超電導ケーブル110の長手方向と平行になるように貼り付けてもよい。このように、隙間140Sを空けて緩衝材140を配置したことにより、超電導ケーブル110の周囲に充填された液体窒素が緩衝材140間の隙間140Sを通過して筒状電極120−1の内側まで入り込むことができるので、筒状電極120−1内部での超電導特性の低下を防止できる。
ここで、実際上、超電導ケーブル110を筒状電極120−1に挿し込んだ状態において、超電導ケーブル110の外面と、筒状電極120−1の内面(実際には、テーパ部122の先端)との間には隙間が生じ、この隙間の範囲内で筒状電極120−1に対して超電導ケーブル110が半径方向に可動な状態となる。その結果、緩衝材140が無い状態では、何らかの原因で超電導ケーブル110または筒状電極120−1が半径方向に動くと、筒状電極120−1の内面が超電導ケーブル110の外面にぶつかって、超電導テープ113が損傷するおそれがある。
緩衝材140は、筒状電極120−1の内面が超電導ケーブル110の外面にぶつかるのを防ぐ位置に設ける必要がある。図4に示したように、超電導テープ113の位置に対応する外周位置に緩衝材140を設ければ超電導テープ113を保護できるが、実際には、作業者は、押えテープ114が邪魔になって超電導テープ113を目視することが困難なので、そのような位置に緩衝材140を設けるのは困難である。
そこで、緩衝材140の間の隙間140Sをあまり大きくし過ぎると、この隙間140Sを介して筒状電極120−1の内面が超電導ケーブル110の外面にぶつかり、超電導テープ113が損傷するおそれがあることを考慮して、緩衝材140の位置を決定する必要がある。緩衝材140の幅や、厚さ、緩衝材140が設けられる位置の超電導ケーブル110の外径など、にもよるが、隙間140Sは、緩衝材140の幅の1/2以下にすることが好ましい。勿論、隙間140Sを小さくするほど、超電導テープ113が損傷する可能性は減るが、隙間140Sを通過する液体窒素の量も減ってしまうので、その両方を考慮して、緩衝材140を適正な位置に配置することが重要である。
以上説明したように、本実施の形態によれば、多層構造の超電導ケーブル110を複数の筒状電極120−1、120−2に順次接続させる超電導ケーブルの端末構造体100において、超電導ケーブル110と、この超電導ケーブル110が貫通する筒状電極120−1との間に、緩衝材140を設けたことにより、超電導ケーブル110を構成する超電導テープ113の損傷を防止することができ、この結果、接続の信頼性を向上できる。
また、緩衝材140は、極低温液体を緩衝材140の外周側から内周側へと通過させるための隙間140Sを有するので、極低温液体が筒状電極120−1の内側まで入り込むことができるので、筒状電極120−1内部での超電導テープ113の温度が所定温度よりも高くなることが抑制され、超電導特性の低下を防止できる。
なお、上述の実施の形態では、超電導ケーブル110に緩衝材140を設けた場合について述べたが、筒状電極120−1側に緩衝材を設けてもよい。例えば、テーパー部122の先端に円筒状の緩衝材を予め取り付けておき、それに超電導ケーブル110を挿し込んでもよい。この場合、緩衝材の所々に液体窒素を通過させるための穴やスリットを形成しておくとよい。
また、上述の実施の形態では、筒状電極120−1、120−2が円筒形状である場合について述べたが、要は、超電導ケーブル110が貫通する中空部を有し、外面に超電導線材が接続される、筒状の電極であればよく、例えば角筒形状であってもよい。
ちなみに、実験により、本実施の形態の構成を用いれば、超電導テープ113の損傷を防止することが確認できた。この実験は、筒状電極120−1として、内径が22mm、外径が30mm、ケーブル軸方向の全長が160mm、円筒部121の長さが50mmのものを用いた。実施例では、緩衝材140として、長さが160mm、厚さが0.1mmのFRPを押えテープ114の外周上に10枚配置した。一方、比較例では、緩衝材140を設けなかった。なお、押えテープ114としては、厚さが0.15mmの不織布を用いた。実験の結果、筒状電極120−2を介して得られる臨界電流が、比較例では900Aだったのに対して、実施例では1300Aであった。また、比較例では、10本の超電導テープ113のうち3本が破断しているのが確認されたのに対して、実施例では、超電導テープ113の破断は確認されなかった。
また、上述の実施の形態では、筒状電極120−1、120−2の外面に超電導テープ115、113が直接接続されているが、図5に示すように、超電導テープ115(113)を、銅などの導電性および可撓性を有する接続テープ150を介して、筒状電極の外面に接続してもよい。接続テープ150は、第1端部において筒状電極120−1(120−2)に第1半田151によって接続されているとともに、第2端部において筒状電極120−1(120−2)に第2半田152によって接続されている。図からも明らかなように、接続テープ150は、第1端部では筒状電極120−1(120−2)との対向面が第1半田151によって筒状電極120−1(120−2)に接続され、第2端部では筒状電極120−1(120−2)との対向面と反対側の面が第2半田152によって超電導テープ115(113)に接続されている。ちなみに、上述した図1では、図を簡単化するために、半田は省略して示してある。
ここで、第2半田152として、その融点が第1半田151の融点よりも低いものが選定されている。具体的には、第1半田151は、溶け始め(固相線)が183℃を越える高融点半田であり、一般的にSnかPbをベースにAg、Sb、In等が配合されてなる。例えば、標準組成であるSn3.0%、Ag0.5%、Cuの合金が用いられる。また、第2半田152は、溶け始め(固相線)が183℃未満の低融点半田であり、一般的に、Sn、Pb以外にCd、Bi、In等が配合されてなる。
この場合、半田による接続は、例えば次のような手順で行えばよい。先ず、接続テープ150の第1端部を、筒状電極120−1(120−2)の外面に第1半田151で接合する。次に、接続テープ150の第2端部に超電導テープ115(113)を、第1半田151よりも融点の低い第2半田152で接合する。
このように、超電導テープ115(113)を接続テープ150を介して筒状電極120−1(120−2)の外面に接続することで、冷却時における材料ごとの収縮率の違いによって生じる、筒状電極120−1(120−2)と超電導テープ115(113)との接続箇所の剥離を防止できる。つまり、筒状電極120−1(120−2)と超電導ケーブル110とが冷却時に異なる収縮率で収縮したとしても、接続テープ150が撓むことによって収縮の差を吸収でき、この結果、接続箇所での剥離を防止できる。加えて、筒状電極120−1(120−2)に接続テープ150を接続する位置と、接続テープ150に超電導テープ115(113)を接続する位置とを、接続テープ150の長手方向で重ならない位置とし、かつ、接続テープ150に超電導テープ115(113)を接続するための第2半田152として、筒状電極120−1(120−2)に接続テープ150を接続するための第1半田151の融点よりも低い融点のものを用いるようにしたことにより、超電導テープ115(113)の超電導性能が半田接合時の熱によって劣化することを防止できる。
本発明は、多層構造の超電導ケーブルにおける端末構造体に有用である。
100 端末構造体
110 超電導ケーブル
111 内部安定化層(フォーマ)
112、114 押えテープ
113、115 超電導テープ
113S 間隔
120、120−1、120−2 筒状電極
121 円筒部
122 テーパー部
130、130−1、130−2 リードケーブル
140 緩衝材
140S 隙間
150 接続テープ
151 第1半田
152 第2半田

Claims (5)

  1. 同心円状に多層配置された超電導線材を有する、超電導ケーブルと、
    前記超電導線材が終端接続される筒状の電極と、
    を有する超電導ケーブルの端末構造体であって、
    前記超電導ケーブルは、前記筒状電極の内部を通過し、
    前記超電導線材は、前記筒状電極の外面に電気的に接続され、
    前記超電導ケーブルと前記筒状電極との間には、緩衝材が設けられている、
    超電導ケーブルの端末構造体。
  2. 前記緩衝材は、前記超電導線材の外周に巻回された押えテープの外周面と、前記筒状電極の内面との間に設けられている、
    請求項1に記載の超電導ケーブルの端末構造体。
  3. 前記緩衝材は、極低温液体を前記緩衝材の外周側から内周側へと通過させるための隙間を有する、
    請求項1又は請求項2に記載の超電導ケーブルの端末構造体。
  4. 前記緩衝材は、FRPである、
    請求項1から請求項3にいずれか一項に記載の超電導ケーブルの端末構造体。
  5. 前記超電導線材は、導電性の接続テープを介して前記筒状電極の外面に接続され、
    前記接続テープと前記筒状電極は、第1半田によって接続され、
    前記超電導線材と前記銅テープは、第2半田によって接続され、
    前記第2半田の融点は、前記第1半田の融点よりも低い、
    請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の超電導ケーブルの端末構造体。
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