JP2017535039A - 超伝導ケーブル - Google Patents
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Abstract
本発明は磁性体金属基板（Ｎｉ−Ｗ系）を含む超伝導線材を超伝導体層及び超伝導遮蔽層に使用する超伝導ケーブルにおいて、交流電力の伝送時に発生する交流損失（AC loss）を最少化することができる超伝導ケーブルに関するものである。【選択図】図３
Description
本発明は，超伝導ケーブルに関するものである。より詳しくは，磁性体金属基板（Ｎｉ−Ｗ系）が含まれた超伝導線材を超伝導体層及び超伝導遮蔽層として使用する超伝導ケーブルにおいて，交流電力の伝送時に発生交流損失（AC loss）を最少化することができる超伝導ケーブルに関するものである。
超伝導線材は，一定の温度で電気抵抗がゼロ近くに収斂するので，低電圧でも高い電力伝送能力を有する。
このような超伝導線材を備える超伝導ケーブルには，極低温環境を形成して維持するために，窒素などの冷媒を使って冷却させる方法及び／又は真空層を形成する断熱方法を用いる。
このような超伝導ケーブルは，一般的に電力伝送のための超伝導線材で成る超伝導体層と共に，超伝導体層によって誘導される電磁気などの遮蔽のための超伝導遮蔽層を備えることができる。前記超伝導遮蔽層も超伝導体層と同様に高価な超伝導線材で構成される。
すなわち，超伝導体層から伝送される電力によって誘導される電磁気波は，超伝導遮蔽層によって遮蔽することができる。
これまで開発されたＢＳＣＣＯ系の１世代超伝導線材は，比較的簡便な機械加工法で製造可能であるが，ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−２２２３，Ｂｉ−２２１２）超伝導線材の結晶配向の特性上，７７Ｋ温度での臨界電流密度（Ｊｃ）を１０万Ａ／ｃｍ２以上に向上させることに限界があり，原価の構成において線材のシース物質であるＡｇの値段が高価であるから性能対比値段を下げることが難しいため，近年１世代超伝導線材の製造及び使用が減少した。
一方，２世代超伝導線材は金属基板上に酸化物膜が複数層で蒸着された形をしているので，被覆導体（coated conductor，以下ではＣＣという）と呼ぶ。
ＹＢＣＯ系又はＲＥＢＣＯ系の２世代超伝導線材は，磁場での臨界電流特性が高く，臨界電流密度が１世代のＢＳＣＣＯ線材に比べて数十倍以上にずっと高いため，１９９０年代の初めから１世代高温超伝導線材を取り替えることができる次世代超伝導線材として注目され，多様な製造工程が活発に開発されている。
２世代超伝導線材は，一般的に金属基板上に蒸着された多数層の酸化物薄膜及び保護層でなることができる。
２世代超伝導線材は，多くの超電流（super current）が流れるようにするためには，結晶粒界で超電流が制限を受けるから，工程過程で超伝導線材の結晶粒子を両軸に整列させることで結晶配向性を高めることが重要である。２世代超伝導線材は，主にＹＢＣＯ又はＲＥＢＣＯ（ＲＥ＝Ｓｍ，Ｇｄ，Ｎｄ，Ｄｙ，Ｈｏ）物質を蒸着し，２世代超伝導線材の超伝導特性は生成された超伝導線材の超伝導層の組成及び密度，結晶の配向性などに大きく依存する。
２世代超伝導線材の金属基板は緩衝層の蒸着法によって相異なる材料を使い，ハステロイ（hastelloy，ＳＵＳなどの合金）又は圧延及び再結晶熱処理によって前もって金属結晶を両軸方向に配向させたＮｉ−Ｗ合金基板（RABiTS, Rolling Assisted Bi-axially Textured Substrate）が代表的に使われている。
２世代超伝導線材の金属基板として磁性体でなるＮｉ−Ｗ合金基板などが使われる場合，超伝導ケーブルが交流電力を伝送するときは交流損失（AC loss）の問題が発生し得る。
超伝導線材を使う超伝導ケーブルは，一般的に電力伝送のための超伝導線材で成る超伝導体層と共に，超伝導体層によって誘導される電磁気などの遮蔽のための超伝導遮蔽層を備えることができる。
近年，超伝導ケーブルは，電力伝送能力を増大させるために，超伝導体層と超伝導遮蔽層がそれぞれ複数層の超伝導線材でなる場合が多い。
複数層の超伝導線材で超伝導体層と超伝導遮蔽層を構成する場合，それぞれの層をなす超伝導線材の超伝導層及び金属基板の方向又は配向によって交流損失の問題がもっと深刻になる場合が発生し得る。
超伝導線材の交流損失に係わり，日本国特開２０１２−２５６５０８号は超伝導体層を構成する超伝導線材の幅を減らして交流損失を最少化する技術について開示してはいるが，具体的に超伝導線材の方向又は配向に関連した技術的解決手段に対する認識又は暗示は存在しなく，日本国特許第５１９２７４１号は交流損失に関連した技術的課題及び技術的解決方法を開示しているが，本発明とは技術的解決方法において大きな違いを示しており，発明の効果も疑問視され，日本国特許第５３８５７４６号は超伝導ケーブルを構成する超伝導線材の層別構造について開示しているが，本発明による技術的課題を解決するための技術的解決手段についての開示又は示唆は全く存在しない。
本発明は，超伝導ケーブルの超伝導体層及び超伝導遮蔽層を，構成する複数層の超伝導線材の超伝導層及び金属基板の方向性を調節することにより，交流電力の伝送時に発生し得る交流損失を最少化することができる超伝導ケーブルを提供することを課題とする。
前記課題を解決するために，本発明は，フォーマー，前記フォーマーの外部を囲繞するように前記フォーマーの長手方向に並んで配置される複数本の超伝導線材を含む少なくとも１層以上の超伝導体層，前記超伝導体層を囲繞する絶縁層，及び前記絶縁層の外部を囲繞するように前記フォーマーの長手方向に並接して配置される複数本の超伝導線材を含んでなる少なくとも１層以上の超伝導遮蔽層を含むコア部；前記コア部の外側に備えられ，前記コア部を冷却するための液状冷媒の循環流路を備える冷却部；前記冷却部の外側に備えられ，断熱材が複数回巻き付けられて構成される断熱部；及び前記断熱部の外側に備えられ，離隔した位置に複数のスペーサーを備える真空部；を含み，前記超伝導体層及び超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材は，金属基板層，及び前記金属基板層の上部に複数層で蒸着され，超伝導物質を含んでなる超伝導層を含んでなり，前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層を構成する超伝導線材の金属基板層が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，超伝導層は超伝導ケーブルの半径方向に配置されていることを特徴とする超伝導ケーブルを提供することができる。
この場合，前記超伝導体層は複数層で構成され，複数層の超伝導体層を構成する超伝導線材の金属基板層が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，超伝導層は超伝導ケーブルの半径方向に配置することができる。
そして，前記超伝導遮蔽層のうち最内側超伝導遮蔽層を，構成する超伝導線材の超伝導層が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，金属基板層は超伝導ケーブルの半径方向に配置することができる。
ここで，前記超伝導遮蔽層は複数層で構成され，複数層の超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層は，いずれも超伝導ケーブルの中心方向に配置され，金属基板層はいずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置することができる。
また，前記超伝導体層は４層で構成され，前記超伝導遮蔽層は２層で構成することができる。
そして，前記超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層の超伝導線材はニッケル合金素材で成る金属基板層を含む２世代超伝導線材であってもよい。
また，前記課題を解決するために，本発明は，フォーマー；前記フォーマーの外側に備えられる少なくとも１層以上の超伝導体層；前記超伝導体層を囲繞する絶縁層；及び前記絶縁層の外部に備えられる少なくとも１層以上の超伝導遮蔽層；を含み，前記超伝導体層及び超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材は，金属基板層，及び金属基板層の上部に複数層で蒸着され，超伝導物質を含む超伝導層を含んでなり，前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層のうち最内側超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の金属基板層及び超伝導層の方向が反対となるように配置することを特徴とする超伝導ケーブルを提供することができる。
そして，前記超伝導体層は複数層で構成され，複数層の超伝導体層を構成する超伝導線材の超伝導層はいずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置され，金属基板層は超伝導ケーブルの中心方向に配置することができる。
この場合，前記超伝導遮蔽層は複数層で構成され，複数層の超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層はいずれも超伝導ケーブルの中心方向に配置され，金属基板層はいずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置することができる。
また，前記課題を解決するために，本発明は，フォーマー，前記フォーマーの外部を囲繞する少なくとも１層以上の超伝導体層，前記超伝導体層を囲繞する絶縁層，及び前記絶縁層の外部を包む少なくとも１層以上の超伝導遮蔽層を含むコア部を含み，前記超伝導体層及び超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材は，金属基板層，及び金属基板層の上部に複数層で蒸着され，超伝導物質を含む超伝導層を含んでなり，前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層を，構成する超伝導線材の金属基板層が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，超伝導層は超伝導ケーブルの半径方向に配置され，前記超伝導遮蔽層のうち最内側超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層が，超伝導ケーブルの中心方向に配置され，金属基板層は超伝導ケーブルの半径方向に配置されていることを特徴とする超伝導ケーブルを提供することができる。
ここで，前記超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層は複数層で構成され，複数層の超伝導体層を構成する超伝導線材の超伝導層は，いずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置され，金属基板層は超伝導ケーブルの中心方向に配置され，複数層の超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層は，いずれも超伝導ケーブルの中心方向に配置され，金属基板層はいずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置されることができる。
また，前記超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層の超伝導線材は，ニッケル合金素材で成る金属基板層を含む２世代超伝導線材であってもよい。
本発明による超伝導ケーブルによると，磁性体金属基板（Ｎｉ−Ｗ系）が含まれた超伝導線材，つまり超伝導体層及び超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の方向又は配向を最適化して交流電力の伝送時に発生する交流損失（AC loss）を最少化することができる。
また，本発明による超伝導ケーブルによると，超伝導体層及び超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の磁場変化による臨界電流の低下を最小化して，超伝導ケーブルを含む電力システムの安全性を向上させることができる。
以下，添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。しかし，本発明はここで説明する実施例に限定されず，他の形態に具体化することもできる。むしろ，ここで提案する実施例は，開示の内容が徹底的で完全になるように，かつ当業者に本発明の思想が充分に伝達されるようにするために提供するものである。明細書全般にわたって同じ参照符号は同じ構成要素を示す。
図１は本発明による超伝導ケーブルの構成部材の積層状態を示す部分断面斜視図を示し，図２は図１に示す超伝導ケーブルの断面図を示す。
本発明による超伝導ケーブルの基本構造を説明する。
超伝導ケーブルは，フォーマー１１０，前記フォーマー１１０の外部を包むように前記フォーマー１１０の長手方向に並接して配置される複数本の超伝導線材を含む少なくとも１層以上の超伝導体層１３０，前記超伝導体層１３０を包む絶縁層１４０，及び前記絶縁層１４０の外部を包むように前記フォーマー１１０の長手方向に並接して配置される複数本の超伝導線材を含んでなる少なくとも１層以上の超伝導遮蔽層１８０を含むコア部１００，前記コア部１００を冷却するために，前記コア部１００の外側に備えられ，前記コア部１００を冷却するための液状冷媒の冷媒流路を備える冷却部２００，前記冷却部２００の外側に備えられる内部金属管３００，前記内部金属管３００の外側に備えられ，断熱材４０１が多層で巻き付けられた断熱層を形成する断熱部４００，前記冷却部２００を真空断熱させるために，前記断熱部４００の外部の離隔した位置に複数のスペーサー５６０を備える真空部５００，前記真空部５００の外側に備えられる外部金属管６００，及び前記外部金属管６００の外側に備えられてシース層を形成するシース部７００を含み，前記断熱部４００及び前記外部金属管６００の間の平均離隔距離は前記真空部５００に備えられたスペーサー５６０の直径より大きく構成することができる。
超伝導ケーブルを順次構成するそれぞれの構成要素を検討すると次のとおりである。前記フォーマー１１０は平たくて長い超伝導線材が，フォーマー１１０の周りに装着される場所を提供すると共に形状を形成するための枠として機能し，事故電流が流れる経路となることができる。前記フォーマー１１０は断面円形の複数の銅（Ｃｕ）素線１１１を円形に圧縮した形態を有することができる。
具体的には，基本的にフォーマー１１０は，円筒形状に形成され，平たくて長い超伝導線材を載せるための枠の機能をする。前記フォーマー１１０の直径は，超伝導線材の幅を考慮し，超伝導線材をフォーマー１１０に載せたときに超伝導線材が浮き上がらずに，なるべく円形に近い構造となるように決定される。
図１及び図２に示すように，前記フォーマーは中心部が一杯に満たされた形態に構成することもできるが，前記フォーマー１１０は中空の円筒形状になり，超伝導線材を載せるための枠の機能と共に，内部の冷媒が流動するための経路の機能をするように構成することもでき，フォーマーを構成するそれぞれの素線１１１は銅などで構成することができ，それぞれの素線を超伝導線材と並列で接続することにより，電力系統で故障電流が発生したときに帰路導体の機能をするように構成することもできる。
故障電流の容量によって，素線を構成する銅などの導体の断面積が決定することができ，高圧の場合，銅素線を円形に圧縮して撚線した形態となることができる。
前記フォーマー１１０を構成する多数本の断面円形の素線１１１を円形に圧縮した撚線の形態を成すため，フォーマー１１０の表面が凸凹になるしかない。したがって，フォーマー１１０の凸凹した表面を平滑にするために，フォーマー１１０の外部に平滑層１２０を被覆することができる。前記平滑層１２０としては半導電性カーボン紙又は黄銅テープなどの素材を使うことができる。
前記平滑層１２０と超伝導体層１３０の間には，図面に示されていないが，クッション層をさらに備えることができる。前記クッション層は半導電性カーボンテープからなり，超伝導体層を保護するために備えることができる。
前記平滑層１２０によって平坦化した前記フォーマー１１０の外側には，複数本の超伝導線材１３１で取り囲まれて層を形成する第１超伝導体層１３０ａを備えることができる。第１超伝導体層１３０ａは複数本の超伝導線材が並んで隣接して前記平滑層１２０の周りを包むように取り付けることができる。
また，図１に示すように，超伝導ケーブルを介して送電又は配電しようとする電流の容量によって超伝導体層１３０は複数層で構成することもできる。
図１に示す実施例は，総２層の超伝導体層１３０ａ，１３０ｂを備えたものを示している。また，超伝導体層を単純に積層して配置すれば，電流の表皮効果によって電流容量が増加しない。このような問題点を防止するために，超伝導体層を複数層で備える場合には，超伝導体層１３０ａ，１３０ｂの間に絶縁層１４０を備えることができる。前記絶縁層１４０は絶縁テープの形態に構成することができ，積層される超伝導体層１３０ａ，１３０ｂの間に配置されて超伝導体層１３０ａ，１３０ｂを互いに絶縁させることにより，積層された超伝導線材の表皮効果を防止することができる。前記絶縁層１４０によって，複数層で積層された超伝導体層の通電方向を一致させることができる。
図１に示す実施例において，前記超伝導体層１３０は第１超伝導体層１３０ａと第２超伝導体層１３０ｂの２層で形成される例を示しているが，必要によってはより多い層の超伝導体層を備えることもできる。
そして，それぞれの超伝導体層１３０ａ，１３０ｂを構成する超伝導線材は，フォーマー１１０を構成するそれぞれの素線と並列で接続することができる。これは，超伝導線材に流れる電流が超伝導条件の破壊などの事故時にフォーマー１１０の素線に流れるようにするためである。このような方法によって，超伝導条件が満たされない場合に超伝導線材の抵抗が増加し，それによる超伝導線材の発熱又は損傷などを防止するためである。
前記第１超伝導体層１３０ａの外側に備えられる第２超伝導体層１３０ｂの外部に内部半導電層１５０を備えることができる。前記内部半導電層１５０は，超伝導体層１３０の領域別電界集中を緩和し，表面電界を均一化するために備えることができる。具体的に，超伝導線材の角部分で発生電界の集中を緩和し，電界分布を均一化するために備えることができる。これは後述する外部半導電層１７０も同様である。
前記内部半導電層１５０は半導電テープが巻き付けられる方式で構成することができる。
前記内部半導電層１５０の外側には絶縁層１６０を備えることができる。前記絶縁層１６０は，超伝導ケーブルの絶縁耐力を増加させるために備えることができる。一般に，高電圧ケーブルの絶縁のためにはＸＬＰＥ（Cross Linking-Polyethylene）又はオイル方式（oil filled cable）を用いるが，超伝導ケーブルは，超伝導線材の超伝導性のために極低温に冷却され，極低温ではＸＬＰＥが破損されて絶縁破壊される問題点があり，オイル方式（oil filled cable）は環境問題などが発生し得るため，本発明による超伝導ケーブルは絶縁層１６０として一般紙素材の絶縁紙を用いることができ，前記絶縁層１６０は絶縁紙を複数回巻き付けて形成することができる。
前記絶縁紙としてはクラフト紙又はＰＰＬＰ（Polypropylene Laminated Paper）を主に用いる。多様な絶縁紙物質のうち，超伝導ケーブルの場合は巻付けの容易性及び絶縁耐力の特性を考慮してＰＰＬＰ絶縁紙を使う。
前記絶縁層１６０の外部には，外部半導電層１７０を備えることができる。前記外部半導電層も超伝導体層１３０の領域別電界集中を緩和し，表面電界を均一化するために備えることができ，前記外部半導電層１７０も半導電テープを巻き付ける方式で構成することができる。
そして，前記外部半導電層１７０の外側には，超伝導遮蔽層１８０を備えることができる。前記超伝導遮蔽層１８０を形成方法は，前記超伝導体層１３０を形成する方法と同様であっても良い。前記外部半導電層１７０の表面が平坦でない場合には，必要によって平滑層（図示せず）を備えることができ，前記平滑層の外部に超伝導遮蔽層１８０を形成するための超伝導線材をそれぞれ円周方向に並接して配置することができる。
２世代超伝導線材で成る遮蔽層に通電される電流は，超伝導体層に流れる電流の約９５％となるように設計して漏洩磁界を最少化することができる。
前記超伝導遮蔽層１８０の外側には，コア部１００の外装の機能をするコア外装層１９０を備えることができる。前記コア外装層１９０は，各種のテープ又はバインダーなどを含むことができ，後述する冷却層にコア部１００が露出されるように外装の機能及びコア部１００の全ての構成物を結束する機能を遂行し，ＳＵＳ素材などの金属テープで構成することができる。
このような方法で超伝導ケーブルのコア部１００を構成することができる。図１及び図２では前記平滑層及び前記半導電層が同一素材の単層で構成されるものとして示されているが，必要によって多様な副層を付け加えることができる。
前記コア部１００の外側には冷却部２００を備えることができる。前記冷却部２００は前記コア部１００の超伝導線材を冷却のために備えることができ，前記冷却部２００はその内側に液状冷媒の循環流路を備えることができる。前記液状冷媒としては液状窒素を使うことができ，前記液状冷媒（液状窒素）は，零下２００度程度の温度を有するように，冷却された状態で前記冷却流路を循環して，冷却部内部のコア部に備えられた超伝導線材の超伝導条件である極低温を維持することができる。
前記冷却部２００に備えられる冷却流路は，一方向に液状冷媒が流れるようにすることができ，液状冷媒は超伝導ケーブルの接続箱などに回収されて再冷却され，さらに前記冷却部２００の冷却流路に供給することができる。
前記冷却部２００の外側には内部金属管３００を備えることができる。前記内部金属管３００は，後述する外部金属管６００と一緒に超伝導ケーブルの敷設及び運転のうちにコア部１００の機械的な損傷を防止するための超伝導ケーブルの外装の機能を遂行する。超伝導ケーブルは，製作及び運搬が容易になるようにドラムに巻き付けられ，設置時にはドラムに巻き付けられたケーブルを展開して設置するので，超伝導ケーブルには曲げ応力又は引張応力が持続的に付加されることになる。
このような機械的応力が付加される状況でも初期の性能を維持するために，内部金属管３００を備えることができる。したがって，前記内部金属管３００は，機械的応力に対する剛性補強のために，超伝導ケーブルの長手方向に隆起及び陥没が繰り返される屈曲構造（corrugated）を有し，前記内部金属管３００はアルミニウムなどの素材で構成することができる。
前記内部金属管３００は前記冷却部２００の外側に備えられるので，液状冷媒の温度に対応する極低温となることができる。よって，前記内部金属管３００は低温部金属管に区分されることができる。
また，前記内部金属管３００の外周面には，反射率の高い金属フィルムに熱伝導率の低い高分子が薄くコートされた断熱材が多層で巻き付けられた断熱層を含む断熱部４００を備えることができる。前記断熱層は積層断熱（ＭＬＩ，Multi Layer Insulation）を構成し，前記内部金属管３００側への熱浸入を遮断するために備えることができる。
特に，前記内部金属管３００が金属素材で構成されて，伝導による熱浸入又は熱交換が容易であるので，前記断熱部４００は主に伝導による熱交換又は熱浸入を最少化することができ，反射率の高い金属フィルム素材によって輻射による熱交換又は熱浸入を防止する効果も得ることができる。
前記断熱部４００の層数は，熱浸入を最少化するために調節可能である。多層で構成されれば，放射熱遮断効果は高まるが，伝導熱遮断効果と真空層の厚さが薄くなることによる対流熱遮断の効果が落ちるので，適切な層数を使うことが重要である。
前記断熱部４００の外側には真空部５００を備えることができる。前記真空部５００は，前記断熱部４００による断熱が十分ではない場合に発生し得る前記断熱層方向への対流などによる熱伝達を最少化するために備える。
前記真空部５００は，前記断熱部４００の外側に離隔空間を形成し，前記離隔空間を真空化させる方法で形成することができる。
前記真空部５００は常温の外部から前記コア部側への対流などによる熱浸入を防止するために備えられる離隔空間であり，物理的離隔空間を形成するために，少なくとも一つのスペーサー５６０を備えることができる。前記真空部５００内の離隔空間内には，外側に備えられる外部金属管６００などと前記真空部５００の内側の前記断熱部４００が，接触することを超伝導ケーブルの全領域で防止するために，少なくとも一つのスペーサー５６０を備えることができる。
前記スペーサー５６０は，超伝導ケーブルの長手方向に沿って配置することができ，前記コア部１００の外側，具体的には前記断熱部４００を螺旋形又は円形に包むように巻き付けることができる。
図１に示すように，前記スペーサー５６０は複数で備えることができ，前記スペーサー５６０の数は，超伝導ケーブルの種類又は大きさによって増減することができる。本発明による超伝導ケーブルは三つないし五つのスペーサーを備えることができる。前記スペーサーは，離隔空間を形成して伝導による熱交換を防止することができ，スペーサーの構造は単層又は複数層で構成することができる。
前記スペーサー５６０の素材はポリエチレン（ＦＥＰ，ＰＦＡ，ＥＴＦＥ，ＰＶＣ，Ｐ．Ｅ，ＰＴＦＥ）素材であってもよい。
また，前記スペーサー５６０は，必要によって，フッ化ポリエチレン（ＰＴＦＥ，Poly Tetra Fluoro Ethylene）素材で構成されるか，あるいは一般樹脂又はポリエチレン素材で構成された後，表面がフッ化ポリエチレンなどでコートすることができる。この場合，前記フッ化ポリエチレンはテフロンであってもよい。
テフロン（Teflon：登録商標）はフッ素樹脂の一種である。テフロンはフッ素と炭素の強力な化学的結合によって非常に安定した化合物を形成することにより，ほぼ完全な化学的非活性及び耐熱性，非粘着性，優れた絶縁安全性，低い摩擦係数などの特性を持っている。また，テフロンは多少の柔軟性を有するので，前記断熱部４００を螺旋形に包み，超伝導ケーブルの長手方向に巻き付けられて配置することができ，多少の強度を有するので，断熱部４００と外部金属管６００の接触を防止する離隔手段として活用され，真空部５００をなす離隔空間を物理的に維持する機能を遂行することができる。前記スペーサー５６０の直径は４ミリメートル（mm）〜８ミリメートル（mm）であってもよい。前記スペーサー５６０の断面形態は円形，三角形，四角形，星形などの多様な形態が可能である。
前記スペーサー５６０を備えた前記真空部５００の外側には，外部金属管６００を備えることができる。前記外部金属管６００は，前記内部金属管３００と同一の形態にかつ同一の素材で構成することができ，前記外部金属管６００は前記内部金属管３００より大きな直径に構成され，スペーサー５６０による離隔空間が形成できるようにする。前記スペーサー５６０についての詳細な説明は後述する。
そして，前記外部金属管６００の外側には，超伝導ケーブルの内部を保護するための外装機能をするシース部７００を備えることができる。前記シース部には通常の電力用ケーブルのシース部７００を構成するシース材を使うことができる。前記シース部７００はその内部の金属管６００などの腐食を防止し，外力によるケーブルの損傷を防止することができる。前記シース部７００はポリエチレン（ＰＥ），ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などの素材で構成することができる。
図２に示すように，前記真空部５００に備えられた前記スペーサー５６０は，前記内部金属管３００の外部に備えられる断熱部４００を包むように四つ備えられている。
図３は本発明による超伝導ケーブルの実施例の概念図である。
図３に示す実施例は二つの超伝導体層及び一つの超伝導遮蔽層を備えた例を示す。
本発明による超伝導ケーブルを構成する超伝導線材は２世代超伝導線材であり，ニッケル−タングステン（Ｎｉ−Ｗ）合金素材の金属基板を使用した実施例を示す。
二つの超伝導体層は，内側の第１超伝導体層及び外側の第２超伝導体層で構成される。
図面上の図示の便宜のために，それぞれの超伝導線材は例えばニッケル−タングステン（Ｎｉ−Ｗ）などのニッケル合金素材で成る金属基板層，及び金属基板層の上部に備えられ，超伝導層（レイヤー）又は超伝導物質を含み，蒸着などの方法で形成された複数の膜を含む超伝導層で構成されるもので，単純化して図示して説明する。
本発明による超伝導ケーブルを構成する超伝導線材は，２世代超伝導線材であってもよく，超伝導線材の超伝導層に備えられた超伝導物質は，主にＹＢＣＯ又はＲＥＢＣＯ（ＲＥ＝Ｓｍ，Ｇｄ，Ｎｄ，Ｄｙ，Ｈｏ）物質などであってもよい。
具体的に，特定の温度以下で電気抵抗が‘０’となる現象を超伝導現象と言い，絶対零度（−２７３℃）ではない１００Ｋ（−１７３℃）付近の相対的に絶対温度より高い温度で超伝導現象を示すことを高温超伝導（High Temperature Superconductor）と言う。電力ケーブルの分野で使われる超伝導線材は，高温超電導体を使い，ＢＳＣＣＯを主材料とする１世代線材と，ＹＢＣＯ又はＲＥＢＣＯを主材料とする被覆導体（Coated Conductor，ＣＣ）型の２世代線材が提案された。
近年，２世代超伝導線材の使用理由としては，１世代超伝導線材の場合はＡｇを母材として使用するため超伝導線材の値段を下げにくく，２世代超伝導線材が交流損失特性にもっと優れ，１世代超伝導線材はフィラメント構造を有する反面，２世代超伝導線材の場合はレイヤー（Layer）構造特性がヒステリシス損失の側面でもっと効率的であるという利点がある。
２世代超伝導線材は，詳細には，金属基板層，緩衝層，超伝導層，保護層などを含んでなることができる。金属基板層は，線材のベース部材として使われ，超伝導線材の機械的強度を維持する機能をし，ハステロイ（Hastelloy），ニッケル−タングステン（Ｎｉ−Ｗ）などの素材を使うことができる。前記緩衝層は，金属基板に超伝導層を蒸着するためのバッファー（buffer）の機能をすることができる。前記超伝導層は，通電時に電流の通電経路として使われ，保護層の素材は銀（Ａｇ）又は銅（Ｃｕ）合金レイヤーで構成することができる。銀（Ａｇ）合金レイヤーは，超伝導層と銅（Ｃｕ）合金レイヤーの間に位置して蒸着ができるようにし，銅（Ｃｕ）合金レイヤーは機械的強度を補強する機能を遂行することができる。それぞれの合金レイヤーは，応用器機によって厚さと素材を変えて構成することができる。
そして，説明の便宜のために，超伝導線材は，大別して，金属基板層と超伝導層に二分されるものとして説明する。したがって，緩衝層は金属基板層と超伝導層の間に備えられ，保護層は超伝導層の外側に備えられるものに理解することができる。
そして，前記超伝導線材の超伝導層に備えられた超伝導物質は，主にＹＢＣＯ又はＲＥＢＣＯ（ＲＥ＝Ｓｍ，Ｇｄ，Ｎｄ，Ｄｙ，Ｈｏ）物質などであってもよいのは既に言及したとおりである。
図３に示す実施例は，前記超伝導体層のうち，第１超伝導体層１３０ａ及び第２超伝導体層１３０ｂの金属基板層１３０ａ−１，１３０ｂ−１が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，第１超伝導体層１３０ａ及び第２超伝導体層１３０ｂの超伝導層１３０ａ−２，１３０ｂ−２は超伝導ケーブルの半径方向に配置される。
そして，図３に示す実施例において，超伝導ケーブルの内側に備えられた第１超伝導体層１３０ａを構成する超伝導線材の超伝導層１３０ａ−２及び第２超伝導体層１３０ｂの超伝導層１３０ｂ−２を介して電流が流れる場合，それぞれの第１超伝導体層１３０ａ及び第２超伝導体層１３０ｂの外側に，それぞれの超伝導層１３０ａ−２，１３０ｂ−２を流れる電流によって円形磁場が形成することができる。
それぞれの第１超伝導体層１３０ａ及び第２超伝導体層１３０ｂの外側にそれぞれ円形磁場が形成される理由は，それぞれの層を構成する超伝導線材に流れる電流の方向が同一である場合にはそれぞれの層を構成する隣接した超伝導線材間の磁場のうち垂直成分が互いに相殺されるからである。
そして，前述した超伝導体層とは異なり，超伝導遮蔽層１８０を構成する超伝導線材の金属基板層１８０−１は超伝導ケーブルの半径方向に配置され，超伝導遮蔽層１８０を構成する超伝導線材の超伝導層１８０−２は超伝導ケーブルの中心方向に配置される。
そして，前記第１超伝導体層１３０ａ及び第２超伝導体層１３０ｂを構成する超伝導線材の超伝導層１３０ａ−２，１３０ｂ−２に電流が印加されれば，超伝導遮蔽層１８０を構成する超伝導線材の超伝導層１８０−２は第１超伝導体層１３０ａ及び第２超伝導体層１３０ｂを構成する超伝導線材の超伝導層１３０ａ−２，１３０ｂ−２の電流方向の反対方向に電流が誘導され，誘導磁場は第１超伝導体層１３０ａ及び第２超伝導体層１３０ｂと反対にその内部に沿って円形に形成することができ，前記第１超伝導体層１３０ａ，前記第２超伝導体層１３０ｂ及び前記超伝導遮蔽層１８０の境界領域及び内外部領域の主要磁場は超伝導体層又は超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層の位置によって決定することができる。
すなわち，特定の地点での磁場の大きさは近距離に存在する超伝導体層又は超伝導遮蔽層を構成する超伝導層の有無，及び超伝導線材の超伝導層と金属基板層が磁性体であるかによって決定することができる。
これは，超伝導体層又は超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層に電流が流れることによって発生する磁場が強磁性を有する金属基板層を通過して他の領域まで伝播される量は少ないと仮定することができるからである。
したがって，誘導磁場による磁気力線を単純化して表現する場合，前記第１超伝導体層１３０ａ，前記第２超伝導体層１３０ｂ及び前記超伝導遮蔽層１８０の境界領域，超伝導体層及び超伝導遮蔽層の内外部領域の主要磁場はそれぞれＢ１，Ｂ２，Ｂ３と表現することができる。
それぞれの磁場Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は磁性体で成る金属基板層によってその磁気力線の軌跡の影響を受けることになるので，磁場による磁気力線の軌跡とそれぞれの超伝導体層又は超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の金属基板層の方向をよく決定しなければならない。
例えば，図３に示す実施例の超伝導体層のうち，最外側導体層である第２超伝導体層１３０ｂを構成する超伝導線材の金属基板層１３０ｂ−１及び超伝導層１３０ｂ−２の方向が反対となれば，つまり第２超伝導体層１３０ｂを構成する超伝導線材の金属基板層１３０ｂ−１が超伝導ケーブルの半径方向に向かい，超伝導層１３０ｂ−２が中心方向に向かえば，第２超伝導体層１３０ｂによって形成されて第２超伝導体層１３０ｂを取り囲む磁場Ｂ２は，隣接した金属基板層１３０ｂ−１の強磁性によって歪曲又は相殺されて磁場大きさの変化を引き起こし，磁場の歪曲又は相殺は反対方向に流れる交流電流の損失を引き起こすこともできる。
特定の超伝導体層によって形成される磁場のうち意味ある大きさを有する主要磁場は，該当の超伝導体層を構成する超伝導線材の金属基板層及び超伝導層のうち，超伝導層に隣接した境界領域に円周方向に形成され，金属基板層の反対側に形成される磁場は，金属基板層の強磁性，又は該当の超伝導体層に隣接した超伝導体層によって形成される磁場によって相殺又は干渉されると考えられる。
磁場の磁気力線の変化は結局超伝導体層そのものの臨界電流又は許容可能電流を減少させることになり，交流損失の原因となり，その上，臨界電流以上の電流が流れる場合，各種の故障又は事故の原因となり得る。
仮に，超伝導体層が三つ以上で構成される場合，中間に挟まれる超伝導体層は方向を反転してもやむを得ず互いに隣接して積層された超伝導体層による磁場によって多少影響されることになる。しかし，超伝導体層が，複数層で積層構成されても，最外側に位置する超伝導体層は超伝導層を超伝導ケーブルの中心方向になるように，図３の反対方向に配置すれば，前述した交流損失の問題が最も深刻であることを推測することができる。
したがって，前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層を構成する超伝導線材の金属基板層が，超伝導ケーブルの中心方向に配置され，超伝導層は超伝導ケーブルの半径方向に配置することが交流損失を最少化するのに好ましい。
超伝導体層を流れる電流に対応して反対方向の誘導電流が発生する超伝導遮蔽層１８０は，その外部方向に露出される磁場の大きさを最小化しなければならない。したがって，図３に示すように，超伝導遮蔽層１８０の金属基板層１８０−１は半径方向の外側に配置することにより，超伝導遮蔽層の外側方向に露出される磁場の大きさを最小化することができる。
図３に示す実施例から把握することができるように，超伝導体層の場合，それぞれの超伝導体層による磁場は，それぞれの導体層を取り囲むように形成され，超伝導遮蔽層を流れる誘導電流による磁場は，超伝導遮蔽層の内側に円形に形成することができる。
したがって，超伝導遮蔽層１８０の場合には，超伝導体層の場合とは反対に，超伝導遮蔽層１８０を構成する超伝導線材の金属基板層１８０−１が超伝導ケーブルの中心方向でない半径方向に配置されるときに限り，外部に露出される磁場の大きさ及び交流損失も最少化することができる。
まとめると，超伝導体層及び超伝導遮蔽層がそれぞれ複数層で構成される場合には，前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層のうち最内側超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の金属基板層及び超伝導層の方向が反対となるようにすることが好ましい。具体的には，図３に示すように，前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層を構成する超伝導線材の金属基板層が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，超伝導層は，超伝導ケーブルの半径方向に配置され，超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の金属基板層が超伝導ケーブルの半径方向に配置され，超伝導層は，超伝導ケーブルの中心方向に配置することが好ましい。
図４は，本発明による超伝導ケーブルの他の実施例の概念図である。
図４に示す実施例は，二つの超伝導体層及び一つの超伝導遮蔽層を備えた例を示す。図３を参照した説明と重複する説明は省略する。図３に示す実施例は，図３に示す実施例と同様に，超伝導体層が複数層であるという点で一致するが，電力伝送容量を増大させるために超伝導体層の数が四つであるという点で違う。
また，超伝導体層数の増加によって超伝導遮蔽層の数も二つに増加した。
前述した内容からも分かるように，二つの超伝導遮蔽層１８０ａ，１８０ｂのうち最内側の第１超伝導遮蔽層１８０ａを構成する超伝導線材の金属基板層１８０ａ−１と超伝導層１８０ａ−２の位置が変更される場合，第１超伝導遮蔽層１８０ａによって形成される磁場が第１超伝導遮蔽層１８０ａを構成する超伝導線材の金属基板層１８０ａ−１によって影響され，水平方向の磁場の一部で垂直方向成分が強化されるはずなので，超伝導体層と同様に誘導電流に関連した交流損失が増大して遮蔽能力を低下させることがあり得る。
したがって，超伝導体層及び超伝導遮蔽層が共に複数層で構成される場合，最外側超伝導体層を構成する超伝導線材の金属基板層が超伝導ケーブルの中心方向に向かうように配置され，超伝導遮蔽層のうち最内側超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層が超伝導ケーブルの中心方向に向かうように内側に配置されれば，最外側超伝導体層及び最内側超伝導遮蔽層が磁場による交流損失を最少化することができる。
また，複数層の超伝導体層及び複数層の超伝導遮蔽層のそれぞれの金属基板層及び超伝導層の方向が最外側超伝導体層及び最内側超伝導遮蔽層と対応するように構成すれば交流損失が最少化することが実験によっても確認された。
したがって，複数層の超伝導体層１３０及び複数層の超伝導遮蔽層１８０のそれぞれは同じ方向に向かうように積層させることが好ましい。
結論として，前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層のうち最内側超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の金属基板層及び超伝導層の方向が反対となるようにし，より詳細に超伝導体層を構成する超伝導線材の金属基板層は，超伝導ケーブルの中心方向に配置し，超伝導線材の超伝導層は，超伝導ケーブルの半径方向に配置し，図４に示すように，超伝導体層及び超伝導遮蔽層が複数層で構成される場合であれば，複数層の超伝導体層を構成する超伝導線材の金属基板層は，いずれも超伝導ケーブルの中心方向に配置し，超伝導層は超伝導ケーブルの半径方向に配置し，複数層の超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層は，いずれも超伝導ケーブルの中心方向に配置し，金属基板層は，いずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置することが交流損失を最少化することができる条件であるという結論に至ることができる。
図５は，本発明による超伝導ケーブルの他の実施例を示し，図６は，図５に示す超伝導ケーブルが水平方向に設置された状態の断面図を示す。図１〜図４を参照した説明と重複する説明は，省略する。図５及び図６に示す実施例は，超伝導ケーブルに備えられたコア部１００の数が三つである３相超伝導ケーブルを示す。
また，図５及び図６に示す実施例は，図１及び図２に示す実施例とは異なり，それぞれのコア部に四つの超伝導体層と二つの超電導遮蔽層が備えられる図４の説明を適用することができる例である。
したがって，図５及び図６に示す実施例は，超伝導体層及び超伝導遮蔽層が共に複数層で構成される場合，図４を参照して説明したように，超伝導体層１３０は，最外側超伝導体層１３０ｄの金属基板層が超伝導ケーブルの中心方向に向かうように配置し，超伝導遮蔽層は，最内側超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層が超伝導ケーブルの半径方向に向かうように外側に配置すれば，最外側超伝導体層及び最内側超伝導遮蔽層が磁場による交流損失を最少化することができる。
したがって，複数層の超伝導体層１３０及び複数層の超伝導遮蔽層１８０のそれぞれは，同じ方向に向かうように積層させることができる。
３相超伝導ケーブルは，それぞれのコア部１００が独立的に冷却部２００を備える構造ではなく，三つのコア部１００の外側に冷却部２００を共有する構造を有することができ，前記冷却部２００の外側の真空部５００も共有する構造であってもよい。
この明細書は，本発明の好適な実施例に基づいて説明したが，当該技術分野の当業者は，以下で開示する特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範疇内で本発明を多様に修正及び変更して実施することが可能であろう。したがって，変形実施が基本的に本発明の特許請求範囲の構成要素を含めばいずれも本発明の技術的範疇に属すると見なさなければならない。
Claims (12)
- フォーマー，該フォーマーの外部を囲繞するように，前記フォーマーの長手方向に並接して配置される複数本の超伝導線材を含む少なくとも１層以上の超伝導体層，該超伝導体層を囲繞する絶縁層，及び該絶縁層の外部を囲繞するように前記フォーマーの長手方向に並接して配置される複数本の超伝導線材を含んでなる少なくとも１層以上の超伝導遮蔽層を含むコア部；
該コア部の外側に備えられ，前記コア部を冷却するための液状冷媒の循環流路を備える冷却部；
該冷却部の外側に備えられ，断熱材が複数回巻き付けられて構成される断熱部；及び
該断熱部の外側に備えられ，離隔した位置に複数のスペーサーを備える真空部；を含み，
前記超伝導体層及び超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材は，金属基板層，及び前記金属基板層の上部に複数層で蒸着され，超伝導物質を含んでなる超伝導層を含んでなり，
前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層を構成する超伝導線材の金属基板層が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，前記超伝導層は，前記超伝導ケーブルの半径方向に配置されることを特徴とする超伝導ケーブル。 - 前記超伝導体層は複数層で構成され，該複数層の前記超伝導体層を構成する前記超伝導線材の前記金属基板層が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，前記超伝導層は，超伝導ケーブルの半径方向に配置されることを特徴とする請求項１記載の超伝導ケーブル。
- 前記超伝導遮蔽層のうち最内側超伝導遮蔽層を構成する前記超伝導線材の超伝導層が前記超伝導ケーブルの中心方向に配置され，金属基板層は超伝導ケーブルの半径方向に配置されることを特徴とする請求項１記載の超伝導ケーブル。
- 前記超伝導遮蔽層は，複数層で構成され，該複数層の超伝導遮蔽層を構成する前記超伝導線材の前記超伝導層は，いずれも前記超伝導ケーブルの中心方向に配置され，前記金属基板層は，いずれも前記超伝導ケーブルの半径方向に配置されることを特徴とする請求項３記載の超伝導ケーブル。
- 前記超伝導体層は，４層で構成され，前記超伝導遮蔽層は，２層で構成されることを特徴とする請求項２又は４記載の超伝導ケーブル。
- 前記超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層の前記超伝導線材は，ニッケル合金素材で成る前記金属基板層を含む２世代超伝導線材であることを特徴とする請求項１記載の超伝導ケーブル。
- フォーマー；
前記フォーマーの外側に備えられる少なくとも１層以上の超伝導体層；
前記超伝導体層を囲繞する絶縁層；及び
前記絶縁層の外部に備えられる少なくとも１層以上の超伝導遮蔽層；を含み，
前記超伝導体層及び超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材は，金属基板層，及び金属基板層の上部に複数層で蒸着され，超伝導物質を含む超伝導層を含んでなり，
前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層のうち最内側超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の金属基板層及び超伝導層の方向が反対となるように配置されることを特徴とする超伝導ケーブル。 - 前記超伝導体層は，複数層で構成され，複数層の前記超伝導体層を構成する前記超伝導線材の前記超伝導層は，いずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置され，前記金属基板層は超伝導ケーブルの中心方向に配置されることを特徴とする請求項７に記載の超伝導ケーブル。
- 前記超伝導遮蔽層は複数層で構成され，複数層の前記超伝導遮蔽層を構成する前記超伝導線材の前記超伝導層は，いずれも超伝導ケーブルの中心方向に配置され，前記金属基板層は，いずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置されることを特徴とする請求項７記載の超伝導ケーブル。
- フォーマー，前記フォーマーの外部を囲繞する少なくとも１層以上の超伝導体層，前記超伝導体層を囲繞する絶縁層，及び前記絶縁層の外部を囲繞する少なくとも１層以上の超伝導遮蔽層を含むコア部を含み，
前記超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材は，前記金属基板層，及び前記金属基板層の上部に複数層で蒸着され，超伝導物質を含む超伝導層を含んでなり，
前記超伝導体層のうち最外側超伝導体層を構成する前記超伝導線材の前記金属基板層が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，前記超伝導層は，超伝導ケーブルの半径方向に配置され，前記超伝導遮蔽層のうち最内側超伝導遮蔽層を構成する超伝導線材の超伝導層が超伝導ケーブルの中心方向に配置され，金属基板層は，超伝導ケーブルの半径方向に配置されることを特徴とする超伝導ケーブル。 - 前記超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層は，複数層で構成され，該複数層の超伝導体層を構成する超伝導線材の超伝導層は，いずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置され，前記金属基板層は，超伝導ケーブルの中心方向に配置され，複数層の前記超伝導遮蔽層を構成する前記超伝導線材の前記超伝導層は，いずれも超伝導ケーブルの中心方向に配置され，前記金属基板層は，いずれも超伝導ケーブルの半径方向に配置されることを特徴とする請求項１０記載の超伝導ケーブル。
- 前記超伝導体層及び前記超伝導遮蔽層の超伝導線材は，ニッケル合金素材で成る前記金属基板層を含む２世代超伝導線材であることを特徴とする請求項１０記載の超伝導ケーブル。
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