JP2015153590A - 超電導ケーブル、および、超電導ケーブルの終端部構造 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導ケーブルの冷媒輸送をゴー・リターン方式によるにもかかわらず、両流路での熱交換を認めずに冷却効率が下がらない超電導ケーブルを提供する。【解決手段】超電導導体を有するケーブルコア７０と、前記ケーブルコアを収容する外側断熱管８０と、前記外側断熱管内に収容された内側断熱管６０と、を有し、前記外側断熱管は前記ケーブルコアとの間に第１の冷媒流路８１を有し、前記内側断熱管は内部に前記第１の冷媒流路内の液体冷媒の流れと逆方向に流れる第２の冷媒流路６１を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、超電導ケーブルの冷媒輸送管構造に関する。

従来、極低温で超電導状態となる超電導線材を導体として用いた超電導ケーブルが知られている。超電導ケーブルは、大電流を低損失で送電可能なケーブルとして実用化が進められている。超電導ケーブルは、断熱管内にケーブルコアを収納した構造である。
断熱管は、内管と外管とからなる二重構造がとられており、内管と外管の間は真空引きがなされている。内管の内部には、液体窒素などの冷媒で循環され、極低温状態で送電が行われている。
液体窒素などの冷媒輸送には、同一の超電導ケーブル内部において冷媒を送り、かつ、冷媒を戻す、所謂ゴー・リターン（ｇｏ−ｒｅｔｕｒｎ）方式が採用される場合がある。ゴー・リターン方式のメリットは、見かけ上一本の冷媒流路で冷媒循環を行うことにより冷媒の戻り配管を不要とできる点にある（特許文献１参照）。
また、超電導ケーブルの冷媒輸送において、圧力損失を低減する目的で、断熱管内に細い冷媒流路を設けることが提案されている（特許文献２参照）。

特開２０１２−４６０１４号公報 特開平２−２９９１０８号公報

しかしながら、特許文献１のゴー・リターン方式による場合、冷媒往路と冷媒復路とが真空断熱されておらず、両流路が熱交換することによって冷媒往路の温度が上昇し、冷却効率が下がるというデメリットがある。また、特許文献１では、超電導導体が円筒状であるが、円筒状の導体層を断熱管に単純に置き換えて断熱管の上に導体層を配置したとしても、断熱管と導体層が絶縁されていないので、断熱管に電圧が発生してしまう。
特許文献２においても、圧力損失を低減する目的で断熱管内に細い冷媒流路を設けているが、真空断熱がなされていない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、超電導ケーブルの冷媒輸送をゴー・リターン方式によるにもかかわらず、両流路での熱交換を認めずに冷却効率が下がらない超電導ケーブルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、超電導導体を有するケーブルコアと、前記ケーブルコアを収容する外側断熱管と、前記外側断熱管内に収容された内側断熱管と、を有し、前記外側断熱管は前記ケーブルコアとの間に第１の冷媒流路を有し、前記内側断熱管は内部に前記第１の冷媒流路内の液体冷媒の流れと逆方向に流れる第２の冷媒流路を有することを特徴とする。
本発明では、超電導ケーブルの冷媒輸送をゴー・リターン方式による場合、外側断熱管と、外側断熱管内に収容された内側断熱管とを有するため、両流路での熱交換が行われないため、冷却効率が下がらない。

前記各断熱管は真空層を有してもよい。
前記第１の冷媒流路内の液体冷媒の温度が、前記第２の冷媒流路内の液体冷媒の温度よりも低くしてもよい。
前記内側断熱管は長手方向において、断熱区間と非断熱区間を有してもよい。
前記ケーブルコアは、前記内側断熱管の外周に前記超電導導体が配置されてもよい。
前記内側断熱管は、前記ケーブルコアと独立して配置されてもよい。

また、本発明では、前記超電導ケーブルにおける前記ケーブルコアは、前記内側断熱管の外周に前記超電導導体が配置され、この超電導ケーブルの一端に配置され、前記超電導ケーブルの前記第１の冷媒流路に冷媒を供給する供給側終端部と、前記超電導ケーブルの他端に配置され、前記超電導ケーブルの前記第２の冷媒流路を経て、前記供給側終端部に冷媒を戻す戻し側終端部と、を備え、前記戻し側終端部にポンプユニットを配置し、前記供給側終端部に冷却機ユニットを配置してもよい。

また、本発明では、前記超電導ケーブルにおける前記内側断熱管は、前記ケーブルコアと独立して配置され、この超電導ケーブルの一端に配置され、前記超電導ケーブルの前記第１の冷媒流路に冷媒を供給する供給側終端部と、前記超電導ケーブルの他端に配置され、前記超電導ケーブルの前記第２の冷媒流路を経て、前記供給側終端部に冷媒を戻す戻し側終端部と、を備え、前記供給側終端部にポンプユニットと冷却機ユニットとを配置してもよい。

本発明によれば、真空断熱された冷媒流路の中に、少なくとも１つの真空断熱された冷媒流路を配置した構造を備えるため、少なくとも２つの冷媒流路同士の熱交換が抑制され、ゴー・リターン方式に適用した場合に往路の冷媒と復路の冷媒同士の熱交換が抑制され、冷却効率が向上する。

本発明の実施形態に係る超電導ケーブル装置の側面断面図である。 超電導ケーブルを示した斜視図である。 超電導ケーブルの断面図である。 冷媒の温度の変化を示す図である。 別の実施形態を示す図１相当図である。 別の実施形態を示す図３相当図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る超電導ケーブル装置１を、終端部を中心に図示した側面断面図である。
超電導ケーブル装置１は、超電導ケーブル５０を備え、超電導ケーブル５０の一端（右端）には、冷媒を供給する供給側終端部１０を備え、他端（左端）には、冷媒を戻す戻し側終端部３０を備えて構成されている。

超電導ケーブル５０は、図２に示すように、ケーブルコア７０を備えている。ケーブルコア７０の外側には、外側断熱管８０が配置され、ケーブルコア７０の内側には、内側断熱管６０が設けられている。
ケーブルコア７０は、電気絶縁層７２、超電導導体層（超電導導体）７３、電気絶縁層７４、超電導シールド層７５等により構成されている。
電気絶縁層７２は、絶縁性紙類、例えば絶縁紙、絶縁紙とポリプロピレンフィルムを接合した半合成紙、高分子不織布テープなどで構成することが可能であるが、ここでは絶縁紙を使用する場合を例示する。

超電導導体層７３は、電気絶縁層７２の外周に複数の超電導線材を螺旋状に巻回することにより形成される。超電導導体層７３には、定常運転時に送電電流が流れる。超電導導体層７３を構成する超電導線材は、例えば、テープ状の金属基板上に中間層、超電導層等が順に形成された積層構造を有している。
超電導層を構成する超伝導体には、例えば、液体窒素温度以上で超電導を示すＲＥ形超伝導体、イットリウム系超伝導体、が代表的である。また、金属マトリクス中に超伝導体が形成されているテープ状の超電導線材でもよい。この超伝導体には、ビスマス系超伝導体を適用できる。

電気絶縁層７４には、電気絶縁層７２と同様のものが使用可能である。電気絶縁層７４は、超電導導体層７３の外周に絶縁紙を巻回することにより積層状態で形成される。
超電導シールド層７５は、電気絶縁層７４の外周に複数の超電導線材を螺旋状に巻回することにより形成される。超電導シールド層７５には、定常運転時に電磁誘導によって超電導導体層７３に流れる導体電流とほぼ同じ電流が逆位相で流れる。超電導シールド層７５を構成する超電導線材には、超電導導体層７３と同様のものを適用してもよく、異なる種類の超電導線材を適用してもよい。

内側断熱管６０は、図３に示すように、断熱内管６２と、断熱内管６２の外周を覆うように配置された断熱外管６３とによって構成される二重管構造を有している。
断熱内管６２内部には冷媒（例えば、液体窒素。）が充填され、冷媒復路（第２の冷媒流路、リターン）６１とされている。断熱内管６２と断熱外管６３との間には、例えばアルミニウムを蒸着したポリエチレンフィルムの積層体で構成された多層断熱層（スーパーインシュレーション）６４が介在し、真空状態(真空層)に保持される。
また、断熱外管６３の外周は、ポリ塩化ビニルやポリエチレンなど不図示の防食層で被覆されている。断熱外管６３の外周には、絶縁紙を巻回することにより積層状態で、上述した電気絶縁層７２が形成されている。

外側断熱管８０は、断熱内管８２と、断熱内管８２の外周を覆うように配置された断熱外管８３とによって構成される二重管構造を有している。
断熱内管８２と断熱外管８３との間には、例えばアルミを蒸着したポリエチレンフィルムの積層体で構成された多層断熱層（スーパーインシュレーション）８４が介在し、真空状態に保持される。断熱内管８２内部には、冷媒（例えば、液体窒素。）が充填され、冷媒往路（第１の冷媒流路、ゴー）８１とされている。また、断熱外管８３の外周は、ポリ塩化ビニルやポリエチレンなど不図示の防食層で被覆されている。

次に、超電導ケーブル５０の終端部について説明する。
超電導ケーブル５０の一端には、図１に示すように、供給側終端部１０が設けられ、他端には、戻し側終端部３０が設けられている。
戻し側終端部３０は、戻し側ケース１３０を備えている。
戻し側ケース１３０は、超電導ケーブル５０の断熱外管８３に連続する断熱外管１３３と、超電導ケーブル５０の断熱内管８２に連続する断熱内管１３２とを備えている。各管１３２、１３３の間には、多層断熱層（スーパーインシュレーション）１３４が介在し、真空状態に保持されている。

また、供給側終端部１０は、供給側ケース１１０を備えている。
供給側ケース１１０は、超電導ケーブル５０の断熱外管８３に連続する断熱外管１１３と、超電導ケーブル５０の断熱内管８２に連続する断熱内管１１２とを備えている。各管１１２、１１３の間には、多層断熱層（スーパーインシュレーション）１１４が介在し、真空状態に保持されている。

供給側ケース１１０の内部は、仕切り板１１５により、戻り室３５と、供給室３６とに仕切られている。超電導ケーブル５０の右端は、仕切り板１１５を貫通し、仕切り板１１５を貫通した超電導ケーブル５０の右端の冷媒復路(リターン)６１は、戻り室３５に連通している。戻り室３５には配管３１を介して冷却機ユニット４０が接続され、冷却機ユニット４０は配管３２を介して供給室３６に接続されている。この供給室３６には超電導ケーブル５０の右端の冷媒往路(ゴー)８１が連通している。

戻し側ケース１３０の内部には、超電導ケーブル５０の左端の冷媒往路(ゴー)８１が連通する。戻し側ケース１３０には配管２１を介してポンプユニット２０が接続される。ポンプユニット２０は配管２２を介して超電導ケーブル５０の左端の冷媒復路(リターン)６１にフランジ接続される。２４はフランジ接続部である。

次に、超電導ケーブル５０の冷却過程について説明する。
この超電導ケーブル５０は、供給側終端部１０から戻し側終端部３０に向けて供給される冷媒により冷却される。この冷媒の供給は、図３に示すように、外側断熱管８０における断熱内管８２内部の冷媒往路(ゴー)８１を通じて行われる。外側断熱管８０は真空層により断熱されており、外部との熱交換はない。
超電導ケーブル５０の冷却に供された冷媒は、内側断熱管６０における断熱内管６２内部の冷媒復路(リターン)６１を通じて、戻し側終端部３０から供給側終端部１０の戻り室３５に戻される。断熱内管６２と断熱外管６３との間は、真空状態(真空層)に保持されるため、冷媒復路(リターン)６１と冷媒往路(ゴー)８１との間で熱交換はない。
この冷却過程は、所謂ゴー・リターン方式であり、冷媒が循環使用されることで、効率のよい超電導ケーブル５０の冷却が可能となる。

図１を参照すると、供給側終端部１０の戻り室３５に戻された冷媒は、配管３１を通じて冷却機ユニット４０に流入し、ここで冷却されて、配管３２を通じて供給側終端部１０の供給室３６に戻される。したがって、供給側終端部１０から戻し側終端部３０に向けて供給される冷媒は、冷却機ユニット４０で十分に冷却されており、冷媒往路(ゴー)８１を通じての冷却は、冷却効果が高い。

図４は、冷媒の温度の変化を示す。
本実施の形態では、上述したように、断熱内管６２と断熱外管６３との間が、真空状態に保持されるため、冷媒復路(リターン)６１と冷媒往路(ゴー)８１との間で熱交換はほとんどない。したがって、実線で示す温度変化が現れる。これに対し、比較例(破線)では、冷媒復路(リターン)６１と冷媒往路(ゴー)８１との間で熱交換が行われたものとする。この場合には、破線で示す温度変化が現れる。
両終端部１０、３０の距離は、例えば３００ｍと長距離であり、この長距離において、超電導ケーブル５０を冷却し続けた冷媒は、供給側終端部１０から戻し側終端部３０に向けて、ゴーのラインＬ１、Ｌ３で示すように、冷却機ユニット４０により冷却された直後から徐々に温度が上昇する。
戻し側終端部３０から供給側終端部１０に戻る際にも、リターンのラインＬ２、Ｌ４で示すように、徐々に温度が上昇する。

本実施の形態では、外側断熱管８０の内側に、ケーブルコア７０と、内側断熱管６０とが同心円的に配置され、内側断熱管６０の外周に超電導導体層（超電導導体）７３が配置されてケーブルコア７０が形成されている。
そして、冷媒往路８１と、冷媒復路６１のそれぞれに、真空層を備える。すなわち、冷媒往路８１が真空状態である多層断熱層（スーパーインシュレーション）８４の内部に構成されるのみならず、冷媒復路６１も真空状態である多層断熱層（スーパーインシュレーション）６４の内部に構成される。そのため、冷媒復路６１に温度の上昇した冷媒を流入させ、冷媒の循環を同一の超電導ケーブル５０内で行ったとしても、冷却済み冷媒の流入する冷媒往路８１と、温度の上昇した冷媒の流入する冷媒復路６１との熱交換を防止することができ、図４に実線で示すように、比較例と比較し、冷媒往路(ゴー)８１内の温度上昇を抑制できる。
本実施の形態では、同一の超電導ケーブル５０内に、冷媒往路８１と、冷媒復路６１とが一体に設けられるため、冷媒往路とは別の戻り配管を用いて冷媒復路を設ける必要がなく、設備の小型化に資する。

図５及び図６は、別の実施形態を示す。
この実施形態では、図６に示すように、外側断熱管１８０の内側に、内側断熱管１６０と、ケーブルコア１７０とが独立して配置されている。
すなわち、本実施形態では、外側断熱管１８０は、断熱内管１８２と、断熱内管１８２の外周を覆うように配置された断熱外管１８３とによって構成される二重管構造を有している。断熱内管１８２と断熱外管１８３との間には、例えばアルミを蒸着したポリエチレンフィルムの積層体で構成された多層断熱層（スーパーインシュレーション）１８４が介在し、真空状態に保持される。
断熱内管１８２内部には、冷媒（例えば、液体窒素。）が充填され、冷媒往路(ゴー)１８１とされている。また、断熱外管１８３の外周は、ポリ塩化ビニルやポリエチレンなど不図示の防食層で被覆されている。

外側断熱管１８０の断熱内管１８２内部には、内側断熱管１６０と、ケーブルコア１７０とが独立して配置されている。
内側断熱管１６０は、断熱内管１６２と、断熱内管１６２の外周を覆うように配置された断熱外管１６３とによって構成される二重管構造を有している。
断熱内管１６２内部には冷媒（例えば、液体窒素。）が充填され、冷媒復路(リターン)１６１とされている。断熱内管１６２と断熱外管１６３との間には、例えばアルミニウムを蒸着したポリエチレンフィルムの積層体で構成された多層断熱層（スーパーインシュレーション）１６４が介在し、真空状態(真空層)に保持される。
また、断熱外管１６３の外周は、ポリ塩化ビニルやポリエチレンなど不図示の防食層で被覆されている。

本実施形態では、図５に示すように、超電導ケーブル１５０の左端に、供給側終端部２１０が設けられ、右端に、戻し側終端部２３０が設けられている。
戻し側終端部２３０は、戻し側ケース３３０を備えている。
戻し側ケース３３０は、超電導ケーブル１５０の断熱外管１８３に連続する断熱外管３３３と、超電導ケーブル１５０の断熱内管１８２に連続する断熱内管３３２とを備えている。各管３３２、３３３の間には、多層断熱層（スーパーインシュレーション）３３４が介在し、真空状態に保持されている。

また、供給側終端部２１０は、供給側ケース４１０を備えている。
供給側ケース４１０は、超電導ケーブル１５０の断熱外管１８３に連続する断熱外管４１３と、超電導ケーブル１５０の断熱内管１８２に連続する断熱内管４１２とを備えている。各管４１２、４１３の間には、多層断熱層（スーパーインシュレーション）４１４が介在し、真空状態に保持されている。

供給側ケース４１０の内部には、超電導ケーブル１５０の左端の冷媒往路(ゴー)１８１が連通する。供給側ケース４１０には配管２２１を介してポンプユニット２０及び冷却機ユニット４０が直列に接続され、冷却機ユニット４０は配管２２３を介して超電導ケーブル１５０の左端の冷媒往路(ゴー)１８１にフランジ接続（不図示）される。
戻し側終端部２３０の内部は、仕切り板４１５により、戻り室４３５と、供給室４３６とに仕切られている。超電導ケーブル１５０の右端の冷媒往路(ゴー)１８１は、戻り室４３５に連通する。また、超電導ケーブル１５０の右端の冷媒復路(リターン)１６１は、仕切り板４１５を貫通し、供給室４３６に連通している。戻り室４３５と、供給室４３６とは配管４３１を介して連通している。

この超電導ケーブル１５０は、供給側終端部２１０から戻し側終端部２３０に向けて供給される冷媒により冷却される。この冷媒の供給は、図６に示すように、外側断熱管１８０における断熱内管１８２内部の冷媒往路(ゴー)１８１を通じて行われる。外側断熱管１８０は真空層により断熱されており、外部との熱交換はない。
超電導ケーブル１５０の冷却に供された冷媒は、内側断熱管１６０における断熱内管１６２内部の冷媒復路(リターン)１６１を通じて、戻し側終端部２３０から供給側終端部２１０の戻り室３５に戻される。断熱内管１６２と断熱外管１６３との間は、真空状態(真空層)に保持されるため、冷媒復路(リターン)１６１と冷媒往路(ゴー)１８１との間で熱交換はない。この冷却過程は、所謂ゴー・リターン方式であり、冷媒が循環使用されることで、効率のよい超電導ケーブル１５０の冷却が可能となる。

図５を参照すると、供給側終端部２１０に戻された冷媒は、配管２２１を通じて冷却機ユニット４０に流入し、ここで冷却されて、配管２２３を通じて供給側終端部２１０の冷媒往路(ゴー)１８１に戻される。したがって、供給側終端部２１０から戻し側終端部２３０に向けて供給される冷媒は、冷却機ユニット４０で十分に冷却されており、冷媒往路(ゴー)１８１を通じての冷却は、冷却効果が高い。

本実施形態では、外側断熱管１８０の断熱内管１８２内部に、内側断熱管１６０と、ケーブルコア１７０とが独立して配置され、外側断熱管１８０、及び内側断熱管１６０のそれぞれに、二重に真空層を備える。
すなわち、冷媒往路１８１が真空状態である多層断熱層（スーパーインシュレーション）１８４の内部に構成されるのみならず、冷媒復路１６１も真空状態である多層断熱層（スーパーインシュレーション）１６４の内部に構成される。そのため、冷媒復路１６１に温度の上昇した冷媒を流入させ、冷媒の循環を同一の超電導ケーブル１５０内で行ったとしても、冷却済み冷媒の流入する冷媒往路１８１と、温度の上昇した冷媒の流入する冷媒復路１６１との熱交換を防止することができる。
したがって、例えば図４に実線で示すように、比較例と比較し、冷媒往路(ゴー)１８１内の温度上昇を抑制できる。
また、同一の超電導ケーブル１５０内に、冷媒往路１８１と、冷媒復路１６１とが一体に設けられるため、冷媒往路とは別の戻り配管を用いて冷媒復路を設ける必要がなく、設備の小型化に資する。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態では、内側断熱管６０、１６０は長手方向において、すべて真空断熱したが、これに限定されない。例えば、図４を参照し、戻し側終端部３０、２３０に近い部位では、ゴー・リターンいずれも温度差が少なく、熱交換する恐れが少ない。したがって、この区間を真空断熱しない非断熱区間としてもよい。
また、内側断熱管６０、１６０は、一つの管として説明したが、これに限定されず、例えば複数の管で構成してもよい。この場合において、すべての管を例えば真空断熱することは云うまでもない。

１ 超電導ケーブル装置
１０ 供給側終端部
３０ 戻し側終端部
５０ 超電導ケーブル
６０ 内側断熱管
６１ 冷媒復路(第２の冷媒流路、リターン)
６２ 断熱内管
６３ 断熱外管
７０ ケーブルコア
８０ 外側断熱管
８１ 冷媒往路(第１の冷媒流路、ゴー)
８２ 断熱内管
８３ 断熱外管

Claims (8)

1. 超電導導体を有するケーブルコアと、
   前記ケーブルコアを収容する外側断熱管と、
   前記外側断熱管内に収容された内側断熱管と、を有し、
   前記外側断熱管は前記ケーブルコアとの間に第１の冷媒流路を有し、前記内側断熱管は内部に前記第１の冷媒流路内の液体冷媒の流れと逆方向に流れる第２の冷媒流路を有することを特徴とする超電導ケーブル。
2. 前記各断熱管は真空層を有することを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル。
3. 前記第１の冷媒流路内の液体冷媒の温度が、前記第２の冷媒流路内の液体冷媒の温度よりも低いことを特徴とする請求項１又は２記載の超電導ケーブル。
4. 前記内側断熱管は長手方向において、断熱区間と非断熱区間を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
5. 前記ケーブルコアは、前記内側断熱管の外周に前記超電導導体が配置されて形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
6. 前記内側断熱管は、前記ケーブルコアと独立して配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
7. 請求項５に記載の超電導ケーブルの一端に配置され、前記超電導ケーブルの前記第１の冷媒流路に冷媒を供給する供給側終端部と、
   前記超電導ケーブルの他端に配置され、前記超電導ケーブルの前記第２の冷媒流路を経て、前記供給側終端部に冷媒を戻す戻し側終端部と、を備え、
   前記戻し側終端部にポンプユニットを配置し、前記供給側終端部に冷却機ユニットを配置した、ことを特徴とする超電導ケーブルの終端部構造。
8. 請求項６に記載の超電導ケーブルの一端に配置され、前記超電導ケーブルの前記第１の冷媒流路に冷媒を供給する供給側終端部と、
   前記超電導ケーブルの他端に配置され、前記超電導ケーブルの前記第２の冷媒流路を経て、前記供給側終端部に冷媒を戻す戻し側終端部と、を備え、
   前記供給側終端部にポンプユニットと冷却機ユニットとを配置した、ことを特徴とする超電導ケーブルの終端部構造。

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