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

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。
   

Images