JP2016105382A - 超電導ケーブル、冷媒管、及び超電導ケーブル線路 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を冷却する冷凍機の負荷が小さい超電導ケーブルを提供する。【解決手段】超電導導体層を有する導体部と、前記導体部を収納すると共に冷媒が充填される内管、及び前記内管の外側に配設されて前記内管との間に真空断熱層を形成する外管を有する断熱管と、前記真空断熱層内で前記内管を介した前記冷媒の熱伝導により超電導状態に維持される外側超電導導体層とを備える超電導ケーブル。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導ケーブル、内部に冷媒が充填される冷媒管、及び、超電導ケーブルが布設された超電導ケーブル線路に関する。特に、冷媒を冷却する冷凍機の負荷が小さい超電導ケーブルに関する。

超電導ケーブルは、既存の常電導ケーブル（例、ＯＦケーブルやＣＶケーブル）と比較して、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、実際に送電を行う実証試験が進められている。

超電導ケーブルは、中心から順にフォーマ、導体層（超電導導体層）、絶縁層（電気絶縁層）、シールド層（超電導シールド層）、保護層を備えるコア（導体部）と、コアを内部に収納する断熱管とを備える（特許文献１）。断熱管は、内管と外管とを有する二重構造管が代表的である。内管と外管との間の空間は、真空引きされて真空断熱層が形成されている。超電導ケーブルは、断熱管内に例えば液体窒素などの冷媒を流通させて超電導層（超電導導体層、超電導シールド層）を冷却することで運用される。超電導ケーブルの運転時、超電導シールド層には、超電導導体層に流れる電流と逆向きでほぼ同じ大きさの誘導電流が流れる。誘導電流から生じる磁場にて、超電導導体層から生じる磁場を打ち消し合うことで、磁場が外部に漏れる（漏れ磁場が生じる）ことを抑制している。

特開２００６−５９６９５号公報

超電導ケーブルを実用化する上で、すでに常電導ケーブルが布設されている既存の地中管路や洞道内に超電導ケーブルを増設することが検討されている。しかし、超電導ケーブルと常電導ケーブルとを近接配置した場合、超電導ケーブルは、常電導ケーブルからの磁場の影響を受ける虞がある。

また、常電導ケーブルの代替として超電導ケーブルを布設することが検討されている。このとき、超電導ケーブルのコスト削減のために、超電導シールド層を省くことが検討されている。しかし、超電導シールド層を備えない超電導ケーブルでは漏れ磁場が生じるため、複数の超電導ケーブルを近接配置するにあたり超電導シールド層を備えない超電導ケーブルが含まれると、他の超電導ケーブルがこの漏れ磁場の影響を受けることになる。

超電導ケーブルにおいて外部から磁場が印加されると、まず断熱管に磁場が印加される。断熱管は一般的に金属材料で構成されているため、断熱管に磁場が印加されると渦電流によってジュール熱が生じる。そうすると、断熱管の内部に充填される冷媒を冷却する冷凍機の負荷となる。そこで、外部からの磁場の影響を受けた場合にも、冷媒の冷凍機の負荷が小さい断熱管路、及び超電導ケーブル線路の開発が望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、冷媒を冷却する冷凍機の負荷が小さい超電導ケーブル線路を提供することにある。

本発明の別の目的は、冷媒を冷却する冷凍機の負荷が小さい冷媒管を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記超電導ケーブルを備える超電導ケーブル線路を提供することにある。

本発明の一態様に係る超電導ケーブルは、超電導導体層を有する導体部と、導体部を収納すると共に冷媒が充填される内管、及び内管の外側に配設されて内管との間に真空断熱層を形成する外管を有する断熱管と、真空断熱層内で内管を介した冷媒の熱伝導により超電導状態に維持される外側超電導導体層とを備える。

本発明の一態様に係る冷媒管は、冷媒が充填される内管と、内管の外側に配設され、内管との間に真空断熱層を形成する外管と、真空断熱層内で内管を介した冷媒の熱伝導により超電導状態に維持される超電導導体層とを備える。

本発明の一態様に係る超電導ケーブル線路は、上記超電導ケーブルと、超電導ケーブルの上記外側超電導導体層を一点接地している接地箇所とを備える。

上記超電導ケーブル、冷媒管、及び超電導ケーブル線路は、外部からの磁場の影響を受けた場合でも、冷媒を冷却する冷凍機の負荷が小さい。

実施形態１に係る超電導ケーブルを示す概略横断面図である。 実施形態２に係る超電導ケーブルを示す概略横断面図である。 実施形態３に係る超電導ケーブルを示し、上図は概略横断面図であり、下図は概略部分縦断面図である。 実施形態４に係る超電導ケーブルを示し、上図は概略横断面図であり、下図は概略部分縦断面図である。 実施形態５に係る超電導ケーブル線路を示す概略横断面図である。

《本発明の実施形態の説明》
本発明者は、超電導ケーブルへ外部からの磁場（以下、外部磁場と呼ぶことがある）が印加された場合に断熱管に生じる影響を検討した。超電導ケーブルの断熱管は、一般的に、ステンレスなどの金属材料から構成される。断熱管は、液体窒素などの冷媒が充填され、超電導ケーブルの運用温度に対する耐性に優れることが求められるからである。ステンレスなどの金属材料は、磁場が印加されると、渦電流によってジュール熱が生じる。このジュール熱は、断熱管の外管だけでなく内管でも発生する。外管で低減できなかった外部磁場が外管を透過して内管に印加されるからである。外管は外部環境（常温部）側に露出しており、渦電流によるジュール熱は常温部側に放熱するため、冷媒を冷却する冷却機構（冷凍機）の負荷には殆どならない。一方、内管は冷媒と接触する（低温部）側に位置し、渦電流によるジュール熱は冷媒側に放熱するため、冷凍機の負荷となる。そのため、冷凍機の負荷を低減するために内管に生じる渦電流を極力低減するべく、超電導ケーブルにおいて外部磁場を遮蔽することを検討し、本発明を完成するに至った。以下、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る超電導ケーブルは、超電導導体層を有する導体部と、導体部を収納すると共に冷媒が充填される内管、及び内管の外側に配設されて内管との間に真空断熱層を形成する外管を有する断熱管と、真空断熱層内で内管を介した冷媒の熱伝導により超電導状態に維持される外側超電導導体層とを備える。

上記構成によれば、外部からの磁場の影響を受けた場合でも、冷媒を冷却する冷凍機の負荷が小さい。この理由は、以下の（ａ），（ｂ）が挙げられる。

（ａ）外側超電導導体層から内管への外部磁場の透過を防止できる。
内管の外周に外側超電導導体層を備えることで、外側超電導導体層で外部磁場（主に垂直磁場）に基づく電流が流れ、外部磁場を打ち消すように磁場を発生させることができる（マイスナー効果）。従って、外部磁場の内管への遮蔽により、外側超電導導体層の内側に位置する内管で渦電流が発生することを抑制でき、内管で渦電流に伴うジュール熱が発生することを抑制できる。外側超電導導体層は、内管を介して超電導状態に維持されているため、電気抵抗がゼロであり外部磁場に基づく電流による発熱（交流損失）は微小なので、外側超電導導体層から内管への伝熱は小さい。従って、内管の温度上昇を抑制できるため、冷媒の温度が上昇し難く冷媒を冷却する冷凍機の負荷を抑制できる。

（ｂ）外側超電導導体層にシールド電流が流れることを防止できる。
外側超電導導体層を例えば一点接地すれば、内部磁場（超電導導体層が発生する磁場）に対する誘導電流（超電導導体層に流れる電流とは逆向きのシールド電流）が外側超電導導体層に流れないようにすることができる。大地を帰路とする循環電流が流れ難いためである。そのため、外側超電導導体層に大きなシールド電流が流れ難く、外側超電導導体層に必要な臨界電流値を抑制でき、外側超電導導体層で発生する交流損失も抑制できる。そのため、内管の温度上昇を抑制できるため、冷媒の温度が上昇し難く冷媒を冷却する冷凍機の負荷を抑制できる。

上記の構成によれば、超電導シールド層を有する導体部を備える従来の超電導ケーブルに比較して、超電導材料の使用量を低減し易い。外側超電導導体層には導体部の超電導導体層に流れる電流と逆向きでほぼ同じ大きさの誘導電流を流して、超電導導体層から生じる磁場を打ち消し合う必要がない。そのため、外側超電導導体層には、従来の超電導シールド層に使用する超電導材料の量ほど超電導材料を使用しなくても良いからである。

上記の構成によれば、外側超電導導体層を構成する超電導材料には、導体部の超電導導体層を構成する超電導材料に比較して、臨界電流の小さい超電導材料を用いることができる。例えば、超電導導体層を構成する超電導線材の切れ端や廃材や劣化材などを用いることもできる。外側超電導導体層には超電導導体層ほどの電流を流す必要がないからである。

（２）上記超電導ケーブルの一形態として、外側超電導導体層の外周に設けられ、外側超電導導体層を内管側へ押さえる押え部材を備えることが挙げられる。

上記の構成によれば、外側超電導導体層を内管に近接させ易いため、外側超電導導体層を超電導状態に維持し易い。

（３）上記超電導ケーブルの一形態として、内管は波付け管で構成され、波付け管の凹凸を平滑化する平滑層を備えることが挙げられる。この場合、外側超電導導体層は、平滑層の外周面に設けられていることが挙げられる。

上記の構成によれば、波付け管に直接外側超電導導体層を形成する場合に比較して、外側超電導導体層を形成し易い。平滑層により波付け管の凹凸を平滑化して波付け管の外周を円筒面に形成できるからである。また、平滑層と波付け管との接触面積を大きくすると共に、平滑層と外側超電導導体層との接触面積を大きくできるため、伝熱性を高められて冷媒により外側超電導導体層を超電導状態に維持し易い。

（４）上記超電導ケーブルの一形態として、外側超電導導体層は、基材の表面に薄膜の超電導層を備えるシート材を巻回して構成されていることが挙げられる。

上記の構成によれば、シート材はテープ材よりも幅広であり同じ枚数で広範囲に亘って覆えるため、テープ材を巻回して構成する場合に比較して外側超電導導体層の形成が容易である。

（５）上記超電導ケーブルの一形態として、外側超電導導体層は、内管の表面に成膜された薄膜の超電導層を備えることが挙げられる。

上記の構成によれば、外側超電導導体層を内管に密着させられるため、超電導状態を維持し易い。特に、内管が波付け管であっても外側超電導導体層を内管に接触するように形成し易い。

（６）本発明の一態様に係る冷媒管は、冷媒が充填される内管と、内管の外側に配設され、内管との間に真空断熱層を形成する外管と、真空断熱層内で内管を介した冷媒の熱伝導により超電導状態に維持される超電導導体層とを備える。

上記の構成によれば、上述のように超電導導体層から内管への伝熱、及び磁場の透過を防止できるため、外部からの磁場の影響を受けた場合でも、冷媒を冷却する冷凍機の負荷が小さい。

（７）本発明の一態様に係る超電導ケーブル線路は、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の超電導ケーブルと、超電導ケーブルの上記外側超電導導体層を一点接地している接地箇所とを備える。

上記の構成によれば、上述のように超電導導体層から内管への伝熱、及び磁場の透過を防止できるため、外部からの磁場の影響を受けた場合でも、冷媒を冷却する冷凍機の負荷が小さい。

《本発明の実施形態の詳細》
本発明の実施形態の詳細を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

〔実施形態１〕
図１を参照して、実施形態１の超電導ケーブル１Ａを説明する。超電導ケーブル１Ａは、超電導導体層１２を有する導体部１０と、内管２１及び外管２２を有する断熱管２０とを備える。内管２１の内側には導体部１０が収納されると共に冷媒Ｃが充填され、内管２１と外管２２との間には、真空断熱層が形成されている。この超電導ケーブル１Ａの主たる特徴とするところは、内管２１の外周の真空断熱層内に形成され、内管２１内の冷媒Ｃにより超電導状態に維持される外側超電導導体層３０を備える点にある。以下、先に超電導ケーブル１Ａの主たる特徴部分及び関連する部分の構成を説明し、その後、各構成を詳細に説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。

［断熱管］
断熱管２０は、内管２１と外管２２とからなる二重構造であり、内管２１と外管２２との間が真空引きされた真空断熱管である。

内管２１内には、上述のように導体部１０（後述）が収納されると共に冷媒Ｃが充填される。冷媒Ｃの種類は、導体部１０の超電導導体層１２を超電導状態に維持することは勿論、真空断熱層内に設けられた外側超電導導体層３０（後述）を内管２１を介した熱伝導により超電導状態に維持する冷媒が挙げられる。例えば、超電導導体層１２や外側超電導導体層３０を構成する超電導材料にもよるが、液体窒素、液体水素、液体ヘリウムなどが挙げられる。

内管２１と外管２２との間には、外側超電導導体層３０に加えて、スーパーインシュレーション（商品名）といった断熱材（図示略）や、両管２１，２２の間隔を保持するスペーサ（図示略）が配置される。

外管２２の外周には、ポリ塩化ビニルといった耐食性に優れる材料を押出して形成した防食層２３を備えることもできる。

内管２１及び外管２２の種類は、長手方向に凹凸が形成された波付け管や、長手に凹凸の無いストレート管などが挙げられる。波付け管は、凹凸が螺旋状に形成されるコルゲート管や、凹凸が長手に交互に連続して形成されるベローズ管が挙げられる。ここでは、内管２１及び外管２２をコルゲート管で構成している。

内管２１及び外管２２の構成材料は、耐食性や極低温でも機械的強度に優れる材料が好ましく、例えば、ステンレス鋼などの金属が挙げられる。

［外側超電導導体層］
外側超電導導体層３０は、外部からの磁場（外部磁場）の内管２１への印加を遮蔽する。外部磁場の内管２１への遮蔽により、その内側に位置する内管２１で渦電流が発生することを抑制でき、内管２１で渦電流に伴うジュール熱が発生することを抑制できる。そのため、内管２１の温度上昇による冷媒の温度上昇を抑制でき、冷媒を冷却する冷凍機の負荷を抑制できる。

外部磁場の内管２１への遮蔽は、外部磁場の外側超電導導体層３０への印加により外側超電導導体層３０自体に外部磁場（主に垂直磁場）を打ち消すように流れる電流を発生させることで行う。外側超電導導体層３０は、真空断熱層内（内管２１と外管２２の間）で、内管２１を介した冷媒からの熱伝導により超電導状態に維持される。それにより、外側超電導導体層３０の電気抵抗がゼロとなり、外部磁場を遮蔽する電流による発熱を抑制するので、外側超電導導体層３０から内管２１への伝熱を防止できる。そのため、内管２１が加熱されることがなく、冷媒の温度上昇を抑制でき、冷媒を冷却する冷凍機の負荷を抑制できる。

外側超電導導体層３０は、接地線（図示せず）を介して一点接地する。それにより、内部磁場（超電導導体層１２が発生する磁場）に対する誘導電流が外側超電導導体層３０に流れないようにする。大地を帰路とする循環電流が流れ難いためである。そのため、外側超電導導体層３０に大きな交流損失が発生せず、外側超電導導体層３０から内管２１への伝熱を防止する。

外側超電導導体層３０の真空断熱層内での内管２１の径方向に沿った形成箇所は、外側超電導導体層３０を超電導状態に維持できれば、特に限定されないが、内管２１に近い箇所とすることが好ましい。そうすれば、外側超電導導体層３０を超電導状態に維持し易い。例えば、上述のように真空断熱層内に断熱材やスペーサなどを設ける場合、これら断熱材及びスペーサと内管２１との間とする。ここでは、外側超電導導体層３０を内管２１の外周面に接触するように形成している。

外側超電導導体層３０の真空断熱層内での内管２１の周方向に沿った形成箇所、及び軸方向に沿った形成箇所は、外部磁場、特に垂直磁場の印加される箇所とすることが挙げられる。即ち、内管２１の外周全域に覆うように外側超電導導体層が形成されていなくてもよく、部分的に内管２１が外側超電導導体層３０から露出していてもよい。極論すれば、垂直磁場の印加されない箇所には、外側超電導導体層３０を形成しなくてもよい。ここでは、外側超電導導体層３０を上記周方向及び軸方向の全域に亘って形成している。

外側超電導導体層３０の層数は、外部磁場の遮蔽に必要な層数であればよく、例えば超電導導体層１２（後述）よりも少なくできる。具体的には外側超電導導体層３０の層数は、１層（単層）とすることができる。

外側超電導導体層３０は、以下の（１）〜（４）のいずれかで構成できる。
（１）超電導材料のシート材やテープ材を螺旋状に巻回する。
（２）超電導材料のシート材やテープ材を縦添えして貼り付ける。
（３）超電導材料からなる薄膜の超電導層を成膜する。
（４）超電導材料の片状材を貼り付ける。

超電導材料としては、例えばＢｉ２２２３系超電導体や、ＲＥ１２３系超電導体（ＲＥ：希土類元素、例えばＹ（イットリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）など）などが挙げられる。

シート材は、基材の表面に、例えばＲＥ１２３系超電導体からなる薄膜の超電導層を備える構成が挙げられる。基材の材質は、例えば、ステンレス、ニッケル、銅、銀、及びそれらの合金といった金属が挙げられる。シート材とは、幅が１０ｍｍ以上をいう。シート材はテープ材よりも幅広であり同じ枚数で広範囲に亘って覆えるため、テープ材を巻回して構成する場合に比較して外側超電導導体層３０の形成が容易である。

テープ材は、例えばＢｉ２２２３系超電導体からなる複数の超電導フィラメントが銀シース及び銀合金シースで被覆された超電導線材や、上記基材の表面にＲＥ１２３系超電導体からなる薄膜の超電導層を備える超電導線材で構成することが挙げられる。薄膜の超電導層を備える超電導線材のテープ材は、上記シート材を適当な所定の幅にカットすることで得られる。シート材とテープ材の長さは、同程度である。テープ材は、シート材よりも幅が狭いため、シート材に比較して内管２１の外周に螺旋状に巻回し易い。

成膜とは、例えば、ＲＥ１２３系超電導体からなる薄膜の超電導層を直接内管２１の外周面に形成することが挙げられる。

片状材は、テープ材と略同等の幅であるが、テープ材よりも長さの短いもの、例えばテープ材の切れ端など長手に一連に形成されていないものが挙げられる。長さが短いとは、例えば、１００ｍｍ以下をいう。

上記シート材やテープ材を螺旋状に巻回して外側超電導導体層３０を構成する場合、シート材やテープ材の数は適宜選択でき、一連のシート材やテープ材を巻回して構成してもよいし、複数のシート材やテープ材を巻回して構成してもよい。シート材やテープ材の巻き方は、突き合わせ巻き、重ね巻き、共巻き、ギャップ巻きなどが挙げられる。突き合わせ巻きとは、隣接するターンの側縁同士が突き合わされた状態となるようにシート材やテープ材を巻回することである。重ね巻きとは、隣接するターン同士が部分的に重なる状態となるようにシート材やテープ材を巻回することである。隣接するターン同士が連続して重なるように巻回してもよいが、一般的に重ね巻きする際は、曲げ特性を確保するために、以下のようにしてシート材やテープ材を巻回する。まず、ギャップ巻きをする。ギャップ巻きとは、隣接するターン同士の間にギャップが形成されるようにテープを巻回することである。次に、そのギャップを埋めるようにシート材やテープ材を重ねる（例えば１／２ラップ等）。共巻きとは、２枚のテープを相互に重ねて巻回することである。

上記シート材やテープ材を縦添えして外側超電導導体層３０を構成する場合、シート材やテープ材の数は、そのサイズ（周方向に沿った長さ）と内管２１の周方向を覆う領域とに応じて適宜選択するとよい。シート材やテープ材と内管２１との固定は、例えば、はんだ付けにより行える。

成膜された薄膜の超電導層で外側超電導導体層３０を構成する場合、成膜には、例えば、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることが挙げられる。ＭＯＤ法は、超電導材料の原料を塗布して焼成することで超電導導体層を形成する手法である。この場合、外側超電導導体層３０を内管に密着させられるため、超電導状態を維持し易い。特に、内管２１が波付け管であっても外側超電導導体層３０を内管２１に接触するように形成し易い上に、波付け管の凹凸を平滑化する平滑層５０（図３、４：実施形態３，４）を別途形成しなくてもよい。

ここでは、外側超電導導体層３０は、超電導材料の一連のテープ材を隣接するターン同士の間に隙間が形成されないように螺旋状に巻回して形成している。

［導体部］
超電導ケーブル１Ａは、超電導導体層１２を有する一つの導体部１０が断熱管２０に収納された単心のケーブル構造である。導体部１０は、交流送電用ケーブルや直流送電用ケーブルと同様の基本構造とすることができる。ここでは、導体部１０は、中心からフォーマ１１、超電導導体層１２、電気絶縁層１３、常電導接地層１４、保護層１５を備える超電導ケーブルコアであり、超電導シールド層を備えない。この超電導ケーブルは、所謂低温絶縁型超電導ケーブルであり、これら各構成部材には公知の構成・材料を用いることができる。

（フォーマ）
フォーマ１１は、超電導導体層１２の支持、ケーブルの抗張力材、その他、短絡や地絡などの事故時における事故電流を分流する通電路などに利用される。通電路にも利用する場合、フォーマ１１は、銅やアルミニウムなどの常電導材料からなる中実体や中空体（管体）が好適に利用できる。中実体は、例えば、エナメルなどの絶縁被覆を備える銅線を複数本撚り合わせた撚り線材が挙げられる。

フォーマ１１の外周にクッション層（図示略）を設けてもよい。クッション層は、例えば、クラフト紙といった絶縁紙や、クラフト紙とプラスチックとを複合した半合成絶縁紙（例えば、ＰＰＬＰ（住友電気工業株式会社 登録商標））からなる絶縁性テープの巻回により形成できる。

（超電導導体層）
超電導導体層１２は、フォーマ１１の外周に上述の超電導線材を螺旋状に巻回して形成された単層又は多層構造である。多層構造の場合、各層を構成する超電導線材同士の間には、例えば、クラフト紙などの絶縁材を巻回して層間絶縁層を形成し、電気的に絶縁する。超電導導体層１２を構成する超電導線材の数や超電導線材層の数は、所望の使用電流値（電流容量）に応じて選択できる。

（電気絶縁層）
電気絶縁層１３は、超電導導体層１２を電気絶縁層１３の外側に配置された部材と電気的に絶縁する。電気絶縁層１３は、超電導導体層１２の上に、上述のクッション層と同様のクラフト紙や半合成絶縁紙からなる絶縁性テープを巻回して形成される。

（常電導接地層）
常電導接地層１４は、従来のＯＦケーブルやＣＶケーブルと同様に絶縁層の外側に設けられて、接地電位を形成する層であり、銅といった常電導材料からなる金属テープを巻回した構成が挙げられる。これにより、電気絶縁層１３内の電界分布の均一化が図れ、安定した絶縁性能が得られるが、これは既存ケーブルも同じである。常電導接地層１４は、接地線（図示せず）を介して接地されている。常電導接地層１４は、例えば一点接地することで、超電導導体層１２からの磁場に対する誘導電流が流れないようにすることができる。

（保護層）
保護層１５は、導体部１０の最外周に配置され、その内側に配置された部材を機械的に保護したり、常電導接地層１４と断熱管２０との間の電気的絶縁を確保したりする。保護層１５は、上述のクッション層と同様のクラフト紙や半合成絶縁紙からなる絶縁性テープを巻回して形成される。

［超電導ケーブルの製造］
超電導ケーブル１Ａの製造は、例えば、以下のようにして行われる。導体部１０、内管２１、外側超電導導体層３０の構成材料（テープ材）、スーパーインシュレーションやスペーサ、外管２２を準備する。次に、導体部１０を内管２１に収納する。導体部１０を収納したら、その内管２１の外周に超電導材料のテープ材を巻回して外側超電導導体層３０を形成する。外側超電導導体層３０の形成は、導体部１０を内管２１に収納する前に行ってもよい。次に、スーパーインシュレーションやスペーサを外側超電導導体層３０の外周に配置する。このとき、スーパーインシュレーションを外側超電導導体層３０を内管２１側へ押さえる押え部材４０（図２：実施形態２で詳述する）に利用してもよい。そして、外管２２をスーパーインシュレーション及びスペーサの外周に被せる。

〔作用効果〕
上述の超電導ケーブル１Ａによれば、以下の効果を奏することができる。

（１）外部からの磁場の影響を受けた場合でも、冷媒を冷却する冷凍機の負荷が小さい。超電導状態に維持されると共に一点接地される外側超電導導体層３０を内管２１の外周に設けることで、外部磁場の影響を受けた場合でも、外側超電導導体層３０自体に外部磁場を遮蔽する電流を流すことができる。そのため、外部磁場の内管２１への磁場の透過を抑制できる。また、外側超電導導体層３０自体に外部磁場を遮蔽する電流が流れても、外側超電導導体層３０は超電導状態に維持されていることで、その電流による発熱は微小なため、外側超電導導体層３０から内管２１への伝熱を防止できる。更に、外側超電導導体層３０を一点接地することで、内部磁場に対する誘導電流が外側超電導導体層に流れないようにすることができる。そのため外側超電導導体層３０に発生する交流損失を抑制できるので、外側超電導導体層３０から内管２１への伝熱を防止できる。

（２）超電導シールド層を有する導体部を備える従来の超電導ケーブルに比較して、超電導材料の使用量を低減し易い。外側超電導導体層３０には導体部１０の超電導導体層１２に流れる電流と逆向きでほぼ同じ大きさの誘導電流を流して、超電導導体層１２から生じる磁場を打ち消し合う必要がない。そのため、外側超電導導体層３０には、従来の超電導シールド層に使用する超電導材料の量ほど超電導材料を使用しなくても良いからである。超電導材料の使用量の低減には、電流値の大きな超電導ケーブルほど効果的である。電流値が大きくなるに伴い、従来の超電導ケーブルでは超電導シールド層を形成する超電導材料の使用量も多くなり易いのに対して、外側超電導導体層３０を構成する超電導材料の使用量は殆ど増加しないからである。それは、外側超電導導体層３０の超電導材料の増減は超電導ケーブルの電流値には殆ど影響されないからである。

（３）外側超電導導体層３０を構成する超電導材料には、超電導導体層１２を構成する超電導材料に比較して、臨界電流の小さい超電導材料を用いることができる。例えば、超電導導体層１２を構成する超電導線材の廃材や劣化材などを用いることもできる。超電導導体層１２のような大電流を流す必要がないからである。

〔実施形態２〕
図２を参照して、実施形態２の超電導ケーブル１Ｂを説明する。超電導ケーブル１Ｂは、外側超電導導体層３０の外周に設けられ、外側超電導導体層３０を内管２１側へ押さえる押え部材４０を備える点が、実施形態１の超電導ケーブル１Ａと相違し、その他の点は実施形態１の超電導ケーブル１Ａと同様である。以下、この相違点を中心に説明し、その他の構成の説明は省略する。相違点を中心に説明し、その他の構成の説明を省略する点は、実施形態３以降も同様である。

［押え部材］
押え部材４０は、外側超電導導体層３０を内管側へ押さえることで、外側超電導導体層３０を内管２１へ近接させ易いため、外側超電導導体層３０を超電導状態に維持し易い。

押え部材４０には、例えば、クラフト紙やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のテープ材を用いることが挙げられる。特に、押え部材４０をＰＥＴのテープ材で構成することが好ましい。ＰＥＴは、クラフト紙に比較して、水分を吸収し難いため、巻回する前に水分を含んだ状態になり難い。また、ＰＥＴは、アウトガスの発生が少ない。そのため、真空断熱層に設けられる押え部材４０をＰＥＴのテープ材で構成すれば、真空度の低下などが生じ難い。

押え部材４０による外側超電導導体層３０の押えは、外側超電導導体層３０をシート材やテープ材を螺旋状に巻回して形成する場合、外側超電導導体層３０の螺旋方向に沿って巻回することで行ったり、その螺旋方向と反対の螺旋方向に巻回することで行ったりすることが挙げられる。前者の場合、押え部材４０の上記押えは、隣接するターン同士を跨ぐように巻回することで行うことが好ましい。また、押え部材４０の上記押えは、外側超電導導体層３０をシート材やテープ材を内管２１に縦添えして貼り付ける場合、その外周に螺旋状に巻回して行う。

ここでは、押え部材４０は、ＰＥＴのテープ材を隣接するターン同士の間にギャップが形成されるように、外側超電導導体層３０の螺旋方向に沿って巻回して形成している。

超電導ケーブル１Ｂによれば、外側超電導導体層３０を内管２１に接触させられるため、外側超電導導体層３０を超電導状態に維持し易い。

〔実施形態３〕
図３を参照して、実施形態３の超電導ケーブル１Ｃを説明する。超電導ケーブル１Ｃは、波付け管（コルゲート管）で構成される内管２１の凹凸を平滑化する平滑層５０を備える点が実施形態１の超電導ケーブル１Ａと相違する。超電導ケーブル１Ｃは、真空断熱層内で内管２１の外周に、内側から順に、平滑層５０、外側超電導導体層３０が形成されている。

［平滑層］
平滑層５０は、内管２１の凹凸を平滑化して外周を円筒面に形成する。それにより、内管２１に直接外側超電導導体層３０を形成する場合に比較して、外側超電導導体層３０を形成し易い。平滑層５０による上記円筒面の形成は、内管２１の凹凸の全域を覆うことで行ってもよいし、図３下図のように、波付け管の凹凸の凹部のみを埋設し、凸部の頂点を露出させて、この頂点が円筒面の一部を形成するように行ってもよい。後者の場合、内管２１と外側超電導導体層３０とを接触させられて、前者の場合に比較して外側超電導導体層３０の超電導状態を維持し易い。また、内管２１と外側超電導導体層３０とを導通させられるため、外側超電導導体層３０を一点接地する際、内管２１を一点接地してもよい。更に、外側超電導導体層３０をシート材やテープ材を内管２１の外周に縦添えして形成する場合、外側超電導導体層３０を凸部の頂点にはんだ付けなどで固定し易い。

平滑層５０には、例えば、上述の押え部材４０と同様、クラフト紙やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のテープ材を用いることが挙げられ、押え部材４０と同様の理由からＰＥＴのテープ材を用いることが特に好ましい。

超電導ケーブル１Ｃによれば、波付け管からなる内管２１に直接外側超電導導体層３０を形成する場合に比較して、外側超電導導体層３０を形成し易い。平滑層５０により内管２１の凹凸を平滑化して内管２１の外周を円筒面に形成できるからである。また、平滑層５０と内管２１との接触面積を大きくすると共に、平滑層５０と外側超電導導体層３０との接触面積を大きくできるため、伝熱性を高められて冷媒Ｃにより外側超電導導体層３０を超電導状態に維持し易い。

〔実施形態４〕
図４を参照して、実施形態４の超電導ケーブル１Ｄを説明する。超電導ケーブル１Ｄは、実施形態２で説明した押え部材４０と、実施形態３で説明した平滑層５０との両方を備える形態とすることができる。即ち、内管２１の外周に、内側から順に、平滑層５０、外側超電導導体層３０、押え部材４０が形成されている。平滑層５０は、内管２１の凹部を埋設し、凸部の頂点が円筒面の一部を構成するように形成している。外側超電導導体層３０は、超電導材料のテープ材を隣接するターン同士の間に隙間が形成されないように螺旋状に巻回して形成している。押え部材４０は、ＰＥＴのテープ材を隣接するターン同士の間にギャップが形成されるように外側超電導導体層３０の螺旋方向に沿ってギャップ巻きして形成している。

超電導ケーブル１Ｄによれば、平滑層５０を備えることで外側超電導導体層３０を内管２１の外周に形成し易く、押え部材４０を備えることで外側超電導導体層３０を内管２１の凸部に接触させ易くて超電導状態を維持し易い。

〔実施形態５〕
図５を参照して、実施形態５の超電導ケーブル線路１００を説明する。超電導ケーブル線路１００は、実施形態２で説明した超電導ケーブル１Ｂと、超電導ケーブル１Ｂの外側超電導導体層３０を一点接地している接地箇所とを備える。超電導ケーブル１Ｂの両端には、終端接続部（端末）１０１，１０２が接続されている。終端接続部１０１，１０２には、冷媒Ｃを循環する冷媒管３２０が接続され、その冷媒管３２０の途中には、超電導ケーブル１Ｂに冷媒Ｃを供給する供給機構２００が設けられている。超電導ケーブルは実施形態２で説明した超電導ケーブル１Ｂを用いているが、実施形態１、３、４の超電導ケーブル１Ａ、１Ｃ、１Ｄを用いることができる。図５では、説明の便宜上、断熱管２０の外周の防食層は省略している。ここでは、常電導電力ケーブルが布設されている既存の地中管路に近接する管路に超電導ケーブル１Ｂを増設することを模擬しており、各管路に布設されたＵ相・Ｖ相・Ｗ相の常電導電力ケーブル（図示略）を２回線と、単心型の超電導ケーブル１Ｂと、冷媒管３２０とが並列して配置されている。

［終端接続部］
終端接続部１０１，１０２は、常電導ケーブルと超電導ケーブル１Ｂとの間で電力を受け渡すための端末であり、常電導機器と超電導導体層との接続部分が収納される。この終端接続部１０１，１０２は、上記接続部分を冷却する冷媒が充填される冷媒槽１０３と、冷媒槽１０３の外周を覆うように配置される真空槽１０４とを備える。冷媒槽１０３と真空槽１０４との間には、両者の間隔を保つ絶縁性の支持部１０５を離散的に設けている。

冷媒槽１０３は、接地部（接地線５００）を介して接地されている。接地線５００は真空槽１０４から引き出され、その引き出し箇所にはハーメチックシールなどで封止するとよい。終端接続部１０１は、超電導ケーブル１Ｂと電気的に導通して接続され、終端接続部１０２は、超電導ケーブル１Ｂと絶縁連結部４００を介して電気的に絶縁して接続されている。この絶縁連結部４００は、超電導ケーブル１Ｂの断熱管２０（外側超電導導体層３０）に流れる誘導電流のうち、大地との間に流れる非常に大きな循環電流を遮断する。

［供給機構］
供給機構２００は、冷媒Ｃを貯留する冷却容器と、冷媒Ｃを所定温度に冷却する冷却機構（冷凍機）と、冷却機構で冷却した冷媒Ｃを超電導ケーブル１Ｂに圧送して循環させる圧送機構（ポンプ）とを備え（いずれも図示略）、冷凍機が接地部（接地線５００）を介して接地されている。供給機構２００は、冷媒管３２０の途中（往路管３２０ｏと復路管３２０ｒとの間）に設けられている。

［冷媒管］
冷媒管３２０は、上記冷凍機構で冷却された冷媒Ｃを超電導ケーブル１Ｂの断熱管２０（終端接続部１０１）に流通させる往路管３２０ｏと、断熱管２０の内部に流通された冷媒Ｃを供給機構２００に戻す復路管３２０ｒとを備える。往路管３２０ｏは、供給機構２００と終端接続部１０１との間に設けられ、復路管３２０ｒは、終端接続部１０２と供給機構２００との間に設けられる。

往路管３２０ｏ及び復路管３２０ｒは、上述した超電導ケーブル１Ａ〜１Ｄに備わる断熱管２０と同様、内管３２１と外管３２２とからなる二重構造であり、内管３２１と外管３２２との間が真空引きされた真空断熱管である。内管３２１内には、上述した冷媒Ｃが流通される。内管３２１と外管３２２との間には、上述の超電導ケーブル１Ｂの外側超電導導体層３０及び押え部材４０と同様の超電導導体層３３０及び押え部材３４０が形成されている。この押え部材４０と外管３２２との間には、スーパーインシュレーション（図示略）やスペーサ（図示略）が配置される。内管３２１と外管３２２は共に、コルゲート管で構成されている。超電導導体層３３０は、内管３２１を介した冷媒Ｃの熱伝導により超電導状態に維持される。

往路管３２０ｏの一端は、供給機構２００と電気的に導通して接続され、他端側は、終端接続部１０１と絶縁連結部４００を介して電気的に絶縁して接続される。この往路管３２０ｏは、供給機構２００と電気的に導通して接続されることから、供給機構２００の接地線５００を介して接地される。この絶縁連結部４００は、冷媒管３２０の往路管３２０ｏ（超電導導体層３３０）に流れる誘導電流のうち、大地との間に流れる非常に大きな循環電流を遮断する。

復路管３２０ｒの一端側は、終端接続部１０２と電気的に導通して接続され、他端側は、供給機構２００と絶縁連結部４００を介して電気的に絶縁して接続される。復路管３２０ｒは、終端接続部１０２と電気的に導通して接続されることから、終端接続部１０２の接地線５００を介して接地される。この絶縁連結部４００は、冷媒管３２０の復路管３２０ｒ（超電導導体層３３０）に流れる誘導電流のうち、大地との間に流れる非常に大きな循環電流を遮断する。

これら超電導ケーブル１Ｂと終端接続部１０１，１０２と供給機構２００と冷媒管３２０との電気的な接続関係及び絶縁関係により、断熱管２０の内管２１（外側超電導導体層３０）と、往路管３２０ｏ及び復路管３２０ｒの内管３２１（超電導導体層３３０）はいずれも一点接地されていることになる。一点接地された外側超電導導体層３０及び超電導導体層３３０は、誘導電流のうち大地を帰路とする循環電流が流れ難いため、外側超電導導体層３０や超電導導体層３３０が長手方向に電磁誘導を受けるような磁場環境下に布設されていても、非常に大きな上記循環電流が外側超電導導体層３０や超電導導体層３３０に流れることを抑制できる。

超電導ケーブル線路１００によれば、外側超電導導体層３０や超電導導体層３３０が磁場を生成せず、外側超電導導体層３０や超電導導体層３３０から内管２１，３２１への磁場の印加を防止できる。従って、外部磁場の内管２１，３２１への遮蔽により、その内側に位置する内管２１、３２１で渦電流が発生することを抑制でき、内管２１，３２１で渦電流に伴うジュール熱が発生することを抑制できる。その結果、内管２１、３２１の温度上昇を抑制できるため、冷媒Ｃの温度が上昇し難く冷媒を冷却する冷凍機（供給機構２００）の負荷を抑制できる。

なお、上述の実施形態では、超電導ケーブルは、超電導導体層の外周に電気絶縁層を設けた超電導ケーブルコアを断熱管内に収納し、断熱管内に冷媒を充填する低温絶縁型超電導ケーブルを例に説明した。超電導ケーブルは、超電導導体層を有する導体部を内部に収納する断熱管の外周面に電気絶縁層を形成する常温絶縁型超電導ケーブルで構成することもできる。

本発明の超電導ケーブルは、外部からの磁場が印加される可能性のある送電線路に配置される超電導ケーブルに好適に利用することができる。本発明の冷媒管は、極低温の冷媒を充填する冷媒管において外部からの磁場が印加される可能性のある冷媒管に好適に利用することができる。本発明の超電導ケーブル線路は、外部からの磁場が印加される可能性のある送電線路に好適に利用することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 超電導ケーブル Ｃ 冷媒
１０ 導体部
１１ フォーマ １２ 超電導導体層 １３ 電気絶縁層
１４ 常電導接地層 １５ 保護層
２０ 断熱管
２１ 内管 ２２ 外管 ２３ 防食層
３０ 外側超電導導体層
４０押え部材
５０平滑層
１００ 超電導ケーブル線路
１０１，１０２ 終端接続部（端末）
１０３ 冷媒槽 １０４ 真空槽 １０５ 支持部
２００ 供給機構
３２０ 冷媒管 ３２０ｏ 往路管 ３２０ｒ 復路管
３２１ 内管 ３２２ 外管
３３０ 超電導導体層
３４０ 押え部材
４００ 絶縁連結部
５００ 接地線

Claims (7)

1. 超電導導体層を有する導体部と、
   前記導体部を収納すると共に冷媒が充填される内管、及び前記内管の外側に配設されて前記内管との間に真空断熱層を形成する外管を有する断熱管と、
   前記真空断熱層内で前記内管を介した前記冷媒の熱伝導により超電導状態に維持される外側超電導導体層とを備える超電導ケーブル。
2. 前記外側超電導導体層の外周に設けられ、前記外側超電導導体層を前記内管側へ押さえる押え部材を備える請求項１に記載の超電導ケーブル。
3. 前記内管は波付け管で構成され、
   前記波付け管の凹凸を平滑化する平滑層を備え、
   前記外側超電導導体層は、前記平滑層の外周面に設けられている請求項１又は請求項２に記載の超電導ケーブル。
4. 前記外側超電導導体層は、基材の表面に薄膜の超電導層を備えるシート材を巻回して構成されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
5. 前記外側超電導導体層は、前記内管の表面に成膜された薄膜の超電導層を備える請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
6. 冷媒が充填される内管と、
   前記内管の外側に配設され、前記内管との間に真空断熱層を形成する外管と、
   前記真空断熱層内で前記内管を介した前記冷媒の熱伝導により超電導状態に維持される超電導導体層とを備える冷媒管。
7. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の超電導ケーブルと、
   前記超電導ケーブルの前記外側超電導導体層を一点接地している接地箇所とを備える超電導ケーブル線路。

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