JP2019009093A - 常電導接続部材及び超電導ケーブルの端末構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】超電導ケーブルと常電導部とを接続する際に、使用環境下に関わらず、熱侵入量を低減すること。【解決手段】超電導ケーブルに接続して、超電導ケーブルを常温側の機器に電気的に接続する常電導接続部材であって、超電導ケーブルの外周に配置され、超電導ケーブルに接続される電極部と、電極部の外周にフランジ状に配置され、電極部に接続される導電リード部と、導電リード部に導電リード部の外周側で接続され、且つ、常温側の機器に接続される端子部と、端子部自体と、導電リード部において端子部から電極部への通電経路の端子部側の部位とのうちの少なくとも一方を冷却する冷却機構とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、超電導ケーブルの終端接続部等に用いられる常電導接続部材及び超電導ケーブルの端末構造体に関する。

従来、極低温で超電導状態に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電力ケーブルとして期待されており、特に、大規模プラント用超電導ケーブルとしての実用化に向けて開発が進められている。

超電導ケーブルは、断熱管内に一心又は複数心のケーブルコアが収容された構造を有するものが知られている。一心のケーブルコアとしては、例えば中心から順に、フォーマ、超電導導体層、電気絶縁層、ケーブルシールド層、及び保護層等を有する。また、一心のケーブルコアとしては、大容量の送電を可能とするために、フォーマの外周に、超電導導体層と、電気絶縁層とを交互に同心円状に配置した複数の超電導導体層を同一心で有する同軸型のケーブルコアが知られている。

断熱管は、ケーブルコアを収容し内部に冷媒（例えば液体窒素）が充填される内管（以下「断熱内管」）と、断熱内管の外周を覆う外管（以下「断熱外管」）を有する。断熱内管と断熱外管の間は、断熱のために真空状態とされる。

超電導ケーブルの終端接続部等に適用される超電導ケーブルの端末構造体においては、低温部となる低温容器に超電導ケーブルの端末部が収容され、超電導ケーブルの導体（例えば超電導導体層）が、電流導入端子である電流リード部を介して常温部に引き出される。低温容器は、超電導ケーブルの端末部を収容し、運転時に液体窒素等の冷媒が充填される冷媒槽と、冷媒槽を収容し運転時に真空状態とされる真空槽とからなる二重構造を有する。

電流リード部としては、特許文献１に示すように、超電導ケーブルの外周に接続されるフランジ状の部分を有する常電導接続部材が知られている。

この常電導接続部材は、超電導ケーブルの外周に設けられ、超電導ケーブルの導体に接続されるケーブル接続部と、ケーブル接続部の外周に配置され、冷媒槽と一体に設けられる内側リード部と、内側リード部の外周に配置され、真空槽内に配置される環状の導電板部と、導電板部の外周に配置され、真空槽の周壁の一部として配置される円環部とを有する。これらケーブル接続部、内側リード部、導電板部、円管部は電気的に接続されている。導電板部には、超電導ケーブルの延在方向に貫通し、延在方向で真空槽内部を連通させる貫通孔としてのスリットが形成され、円環部の外周には、外部に突出して常温部に接続される端子が設けられている。

超電導ケーブルの終端にリード部を接続する超電導ケーブルの端末構造体では、外部からの熱侵入量を低くするために、常温部から低温部に渡って配置される常電導接続部材において、伝導熱の経路を長くすることが考えられる。

特許文献１の常電導接続部材では、導電板部の表裏面を貫通する貫通孔が、同心円の複数のスロットにすることで、端子と内側リード部との間で伝導熱の経路となる部位の長さを極力長くし、超電導ケーブルの超電導導体層への熱の進入を低減するようにしている。

米国特許出願公開第２０１２／２８９４０５号明細書

ところで、特許文献１に示すような超電導ケーブル終端に設置する端末構造体では、常電導接続部材において、端子と内側リード部との間の伝導熱の経路となる導電部分の長さ/断面積比を最適化することにより、熱侵入量（伝導熱と通電時のジュール発熱の和）を最小値化できることが知られている。

しかしながら、端末構造体では、使用環境によって、端子側の温度である高温端（室温側）の温度と、内側リード部側の温度である低温側（冷媒）の温度は予め決められる。高温端側の温度と低温側の温度が変更不能であれば、熱侵入量の下限も自ずと設定されてしまい、この状態から更に熱侵入量を低減することは、困難である。なお、導電部分の断面積を温度分布に合わせて変化させ、通電時の導電部分における電気抵抗を均一にする方法が考えられるが、断面積を変えれば温度分布も変わってしまう。よって、導電部分の断面積を温度分布に合わせて変化させることだけで最適値を求めることは非常に困難である。

したがって、常電導接続部材としては、使用環境によって、端子側の温度と、内側リード部側の温度とが決められている場合でも、熱侵入量を低減して好適な通電容量を確保できるものが望まれている。

本発明の目的は、超電導ケーブルと常電導部とを接続する際に、使用環境下に関わらず、熱侵入量を低減できる常電導接続部材及び超電導ケーブルの端末構造体を提供することである。

本発明に係る常電導接続部材は、超電導ケーブルに接続して、当該超電導ケーブルを常温側の機器に電気的に接続する常電導接続部材であって、
前記超電導ケーブルの外周に配置され、前記超電導ケーブルに接続される電極部と、
前記電極部の外周にフランジ状に配置され、前記電極部に接続される導電リード部と、
前記導電リード部に当該導電リード部の外周側で接続され、且つ、前記常温側の機器に接続される端子部と、
前記端子部自体と、前記導電リード部において前記端子部から前記電極部への通電経路の端子部側の部位とのうちの少なくとも一方を冷却する冷却機構と、
を有する構成を採る。

本発明に係る超電導ケーブルの端末構造体は、上記構成の常電導接続部材と、前記常電導接続部材に接続される超電導ケーブルと、を有する構成を採る。

本発明によれば、超電導ケーブルと常電導部とを接続する際に、使用環境下に関わらず、熱侵入量を低減できる。

本発明の実施の形態１に係る常電導接続部材を有する端末構造体の要部構成を模式的に示す図である。 端末構造体における超電導ケーブルの概略構成を示す断面図である。 端末構造体における常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す正面図である。 端末構造体における常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す側面である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施の形態２に係る常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す正面図である。 本発明の実施の形態２に係る常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す側面である。 図６のＢ−Ｂ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
＜端末構造体の構成＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る常電導接続部材を有する端末構造体１の要部構成を示す模式的に示す図である。図１では、常電導接続部材３０以外を便宜上、断面図で示す側面図で説明の便宜上、超電導ケーブル１０が導入される側を基端側（図１では右側）、反対側を先端側（図１では左側であり挿入方向側ともいう）として説明する。

図１に示す端末構造体１は、超電導ケーブル１０の端末部と、端末構造体１の外部機器である常温部とを、所謂、電流リードとして機能する常電導接続部材３０を介して接続する。なお、本実施の形態１の端末構造体１では、超電導ケーブル１０は複数の超電導導体層１１２を有し、これら複数の超電導導体層１１２を常温部にそれぞれ接続するため、複数の常電導接続部材３０を有している。端末構造体１は、１つの常電導接続部材３０を介して超電導ケーブルにおける単層の超電導導体層を常温部に接続する構造でもあってもよい。また、超電導ケーブル１０の端末部は、ここでは、断熱管１２を段剥ぎしたケーブルコア部分とする。図１に示す端末構造体１は、超電導ケーブル１０の端末部と、常電導接続部材３０と、冷媒槽２１及び真空槽２２を有する低温容器２０と、支持脚部（支持部）２８を有する。

端末構造体１では、中央部に超電導ケーブル１０が挿通された常電導接続部材３０が所定間隔を空けて配置されている。常電導接続部材３０間に、超電導ケーブル１０を囲むように筒状の内側収容管部２１１が架設されることに冷媒槽２１が形成される。また、常電導接続部材３０間に、冷媒槽２１を囲むように、筒状の外側収容管部２２１が架設されることにより、真空槽２２が形成されている。

すなわち、低温容器２０は、常電導接続部材３０及び内側収容管部２１１を含む内側の冷媒槽２１と、常電導接続部材３０及び外側収容管部２２１を含む外側の真空槽２２とからなる二重構造となっている。

このように構成される低温容器２０（詳細には冷媒槽２１）内に超電導ケーブル１０の端末部が所定の状態で水平方向に延在するように収容された状態となっている。

低温容器２０から、常電導接続部材３０（詳細には、図３に示す常電導接続部材３０の引出端子部３７）を介して超電導ケーブル１０の導体電流が、常温部としての外部電力機器等の実系統側に引き出される。また、実系統側から常電導接続部材３０を介して超電導ケーブル１０に通電される。

なお、端末構造体１は、シールド接続端子４０を有し、このシールド接続端子４０に超電導ケーブル１０のケーブルシールド層１１４（図２参照）を接地している。シールド接続端子４０は、中央で超電導ケーブル１０が挿通される円盤状の本体を有し、常電導接続部材３０と同様の機能を有するものであり、具体的な構成は後述する。

本実施の形態の超電導ケーブル１０は、超電導線材からなる複層の超電導導体層を有し、端末構造体１において、略水平方向に配置した超電導ケーブル１０から超電導導体層毎に、水平方向で所定間隔を空けて、常電導接続部材３０を介して導体電流を引き出される。

図２は、本発明の一実施の形態に係る端末構造体における超電導ケーブルの概略構成を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、超電導ケーブル１０は、断熱管１２内に、電気絶縁層（導体絶縁層）１１３（１１３−１、１１３−２、１１３−３）を介して超電導導体層１１２（１１２−１、１１２−２、１１２−３）を同心円状に複数備えるケーブルコア１１が収容された超電導ケーブルである。

超電導ケーブル１０は、各超電導導体層で位相の異なる電流を流す多相超電導ケーブルとしてもよい。また、超電導ケーブル１０は、超電導導体層が２層以上の超電導導体層、あるいは、単層の超電導導体層を有する構成としてもよい。本実施の形態の超電導ケーブル１０は、超電導導体層１１２を、中心から、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流を流す導体として３層で同軸上に有した三相同軸超電導ケーブルとしている。

ケーブルコア１１は、例えば中心から順に、Ｎ_２冷却管として機能する中央冷却管１１１、第１超電導導体層１１２−１、第１電気絶縁層（導体絶縁層）１１３−１、第２超電導導体層１１２−２、第２電気絶縁層（導体絶縁層）１１３−２、第３超電導導体層１１２−３、第３電気絶縁層（導体絶縁層）１１３−３、ケーブルシールド層１１４、及び保護層１１５等を有する。

各超電導導体層１１２及びケーブルシールド層１１４は、例えば、下層の外面に螺旋状に巻き付けた多数本の超電導テープ（テープ状の超電導線材）により構成される。超電導導体層を構成する各超電導テープは、互いに重ならずに配置されている。

超電導テープは、ここでは、ＲＥＢａ_ｙＣｕ_３Ｏ_ｚ系（ＲＥは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ及びＨｏから選択された１種以上の元素を示し、ｙ≦２及びｚ＝６．２〜７である。）の高温超電導薄膜を備える酸化物超電導材である。この超電導テープは、テープ状の金属基板上に成膜された中間層上に、テープ状の超電導薄膜である酸化物超電導層（以下、「超電導層」と称する）、安定化層が順に積層されることによって作製される。なお、超電導テープの金属基板としては、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金又はステンレス鋼である。また、中間層は、例えば、金属基板上に、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層、ガリウムドープ酸化亜鉛層（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７：ＧＺＯ）、或いはイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等による第１層、Ｙ_２Ｏ_３又は酸化ランタンマンガン（ＬａＭｎＯ_３）等の層である第２層、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等から成る第３層、ＬａＭｎＯ_３等の層である第４層、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）層である第５層を、順に積層することによって構成される。なお、超電導層は、有機金属酸塩あるいは有機金属化合物を原料とし、真空プロセスを使用せずに、ＭＯＤ法（Metal Organic Deposition Processes：有機酸塩堆積法）により中間層上に成膜される。ＭＯＤ法は、金属基板上に中間層を設けた複合基板上の金属有機酸塩を加熱して熱分解することによって複合基板上に超電導層である薄膜を形成する。安定化層は、超電導層上に銀（Ａｇ）等を成膜することにより形成される。

このように構成される超電導テープを、複合基板上において、下層の中央冷却管１１１、電気絶縁層１１３（１１３−１、１１３−２）の外周に、超電導層（超電導薄膜）が外周側、複合基板（基板）が内周側となるように、螺旋状に巻回することによって、各超電導導体層１１２は構成される。

電気絶縁層１１３は、それぞれ下層の超電導導体層１１２の外周に、例えば、半合成絶縁紙を巻回して構成される。保護層１１５は、例えば、ケーブルシールド層１１４の外周にクラフト紙等を巻回して構成される。

超電導ケーブル１０の端末部においては、図１に示すように、ケーブルコア１１に段剥ぎ加工が施され、先端側から順に各層が露出する。各超電導導体層１１２（１１２−１、１１２−２、１１２−３）には、各超電導導体層１１２（１１２−１、１１２−２、１１２−３）に電気的に接続される常電導接続部材３０（３０−１、３０−２、３０−３）が接続されている。

ここでは、常電導接続部材３０は、超電導導体層１１２の外周に配置され、且つ、外側収容管部２２１及び内側収容管部２１１のそれぞれの表裏面のうち少なくとも一方の面に、冷媒槽２１及び真空槽２２を形成するように接続される。

本実施の形態の超電導ケーブル１０では、ケーブルシールド層１１４の外周には、ケーブルシールド層１１４に電気的に接続されるシールド接続端子が配置されている。また、本実施の形態では、超電導導体層１１２（１１２−１、１１２−２、１１２−３）の外周に配置される電気絶縁層１１３（１１３−１、１１３−２、１１３−３）の外周には、ストレスコーン等の電界緩和部１５が配置されている。

断熱管１２は、内側の断熱内管１２１と外側の断熱外管１２２とからなり、断熱内管１２１及び断熱外管１２２は、コルゲート状を有することが好ましい。本実施の形態の断熱内管１２１及び断熱外管１２２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のコルゲート管（波付き管）によりそれぞれ構成される。超電導ケーブル１０は、フォーマの外周側に、超電導導体層１１２と、波付き管である断熱内管１２１と断熱外管１２２とによる二重構造を採る断熱管１２とを順に有する構成となっている。

断熱内管１２１は、低温容器２０の基端側において、シールド接続端子４０の内周部に、内部接続部５２を介して気密的に固定されている。内部接続部５２が固定されたシールド接続端子４０の内周部を介して、断熱内管１２１は、冷媒槽２１内部（主に内側収容管部２１１内部）と気密的に連通する。

断熱外管１２２は、低温容器２０の基端側において、真空槽２２の基端面として機能するシールド接続端子４０の外周部に、外部接続部５４を介して気密的に固定されている。外部接続部５４が固定されたシールド接続端子４０の外周部を介して、断熱外管１２２と断熱内管１２１の間の空間は、断熱層を形成する真空槽２２内部（主に外側収容管部２２１内部）と気密的に連通する。

シールド接続端子４０は、内周部の中央部で超電導ケーブル１０を挿通し、超電導ケーブル１０のケーブルシールド層１１４を接地するために外部に引き出す端子であり、ここでは、常電導接続部材３０と同様に形成される。よって、シールド接続端子４０については、常電導接続部材３０の説明とともに後述する。

断熱内管１２１は、ケーブルコア１１を収容し、冷媒槽２１に接続される。断熱内管１２１は、運転時には冷媒（例えば液体窒素）が充填される。これにより、超電導導体層１１２は、超電導状態に維持される。断熱内管１２１と断熱外管１２２の間は、断熱のために、運転時に真空状態に保持される。

内側収容管部２１１は、筒状であり、エポキシ樹脂や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）等の絶縁材料により構成される絶縁管である。すなわち、超電導ケーブル１０の端末部は、冷媒槽２１である絶縁管に収容された状態となる。

軸方向で常電導接続部材３０を介して接続される内側収容管部２１１同士は、常電導接続部材３０に、超電導ケーブル１０の延在方向（「軸方向」ともいう）に貫通して形成された貫通孔３２２（図３参照）を介して連通した状態となっている。

なお、冷媒槽２１は、例えば真空槽２２内に配置された架台（図示略）に載置してもよい。冷媒槽２１には、運転時に冷媒循環装置（図示略）により冷媒が循環供給される。冷媒槽２１に連通する断熱内管１２１の内部も冷媒で充填される。

外側収容管部２２１は、外周にがい管部２３を有する筒状であり、冷媒槽２１を収容するように常電導接続部材３０間に設けられる。外側収容管部２２１は、例えばエポキシ樹脂やＦＲＰ等の絶縁材料で構成され、常電導接続部材３０に気密的に固定される。

外側収容管部２２１の内側は、常電導接続部材３０に、超電導ケーブル１０の延在方向に貫通して形成されたスロット部３６４（図３参照）を介して連通した状態となっている。

がい管部２３は、例えば、ポリマーがい管または磁器がい管により構成される。ここでは、がい管部２３をポリマーがい管で構成したものとして説明する。がい管部２３は、例えば、絶縁筒の外周面に一体的にポリマー被覆体を一体的に設けて形成される。絶縁筒は、機械的強度の高いＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で構成される。絶縁筒は、冷媒槽２１内の超電導ケーブル１０の外面に電界緩和部１５を取り付けた場合、この電界緩和層の周囲で電界緩和部を囲む位置に配置される。ポリマー被覆体は、電気絶縁性能に優れる材料、例えばシリコーンポリマー（シリコーンゴム）などの高分子材料で構成され、外周面に、複数個の傘状の襞部が長手方向に離間して形成される。がい管部２３の内部、つまり、真空槽２２の内部は、運転時には真空引きされて真空状態となる。

カバー、外部接続部５４、常電導接続部材３０及び外側収容管部２２１により構成される真空槽２２は、運転時に真空ポンプ（図示略）により真空引きされ、真空状態に保持される。真空槽２２に連通する断熱内管１２１と断熱外管１２２の間の空間が真空状態に保持される。

＜常電導接続部材３０の構成＞
図３は、端末構造体における常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す正面図であり、図４は、端末構造体における常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す側面である。また、図５は、図３のＡ−Ａ線断面図である。

図３から図５に示す常電導接続部材３０は、超電導ケーブル１０を、引出端子部３７を介して常温側の機器に電気的に接続する。なお、常電導接続部材３０は、超電導ケーブル１０において外周面となる各超電導導体層のそれぞれに同様に接続されるので、図３から図５に示す常電導接続部材３０は、例えば、図１の常電導接続部材３０−２として説明する。

常電導接続部材３０は、端末構造体１において、内側収容管部２１１（冷媒槽２１）の内側の超電導ケーブル１０の外周面に位置する超電導導体層１１２と、外側収容管部２２１の外部の常温側の機器とを導通する。

常電導接続部材３０は、電極部３２、導電リード部３３、引出端子部３７、冷却機構３８、被覆断熱材（以下、「断熱材」ともいう）３９を有する。

電極部３２、導電リード部３３および引出端子部３７は、導電性を有し、電気的に接続される。

電極部３２は、超電導ケーブル１０の外周に配置され、超電導ケーブル１０に接続される。電極部３２は、本実施形態では、銅等の導電部材により筒状に形成され、内周面で超電導ケーブル１０の外周の超電導導体層に密着して電気的に接続された状態で固定されている。本実施の形態では、図４及び図５に示すように、内側リード部３４及び外側リード部３６の厚みよりも、超電導ケーブル１０の延在方向に長い。

電極部３２の周壁部には、軸方向に沿って貫通して形成され、且つ、冷媒が通る貫通孔３２２が周方向に複数設けられている。

導電リード部３３は、電極部３２の外周にフランジ状に配置され、電極部３２に電気的に接続される。導電リード部３３は、引出端子部３７と電極部３２との間の部位により形成され、引出端子部３７から電極部３２への通電経路Ｅを有する。

導電リード部３３は、本実施の形態では、電極部３２の外周に配置され、内側収容管部２１１が固定される内側リード部３４と、内側リード部３４に電気的に接続され、内側リード部３４の外周に配置される外側リード部３６と、を有する。

内側リード部３４は、円環板状の銅等からなる導電部材であり、内部に超電導ケーブル１０及び電極部３２が配置される。

内側リード部３４の内周面には、接触子であるマルチコンタクト３５ａが取り付けられており、このマルチコンタクト３５ａを介して電極部３２と電気的に接続した状態で周方向及び軸方向に摺動自在に外嵌されている。

内側リード部３４は、表裏面の外周縁部で、内側収容管部２１１の開口端部を塞ぐように気密的に固定される。内側リード部３４は、外周縁部に、内側収容管部２１１を固定する固定穴３４２が形成され、この固定穴３４２を介して内側収容管部２１１がボルト等の止着材により固着される。内側収容管部２１１の中心軸と内側リード部３４の中心軸とは同軸であることが好ましい。

外側リード部３６は、例えば、銅等の導電部材により環状に形成され、ここでは、内側リード部３４と同じ厚みの円環板状に形成されている。なお、外側リード部３６の厚みは、内側リード部３４の厚みと同じ厚みでなくてもよく、内側リード部３４よりも厚くてもよく、また、薄くても良い。また、外側リード部３６は、部分的に厚い部分を有していてもよい。

外側リード部３６の内周面には、接触子であるマルチコンタクト３５ｂが取り付けられており、このマルチコンタクト３５ｂを介して内側リード部３４と電気的に接続しつつ、相対的に周方向及び軸方向に摺動自在に接続されている。

外側リード部３６の外周面には、引出端子部３７が半径方向に突出して設けられている。なお、本実施の形態では、引出端子部３７は外側リード部３６と一体的に形成されている。

外側リード部３６では、表裏面の少なくとも一面の外周部に、外側収容管部２２１（図１参照）が気密的に固定される。例えば、外側収容管部２２１は、外側リード部３６に固定穴３６２を介してボルト等の止着部材により固定される。図１に示す常電導接続部材３０―１の表面（ここでは、先端側の面）には、真空槽２２の先端面となるカバーが気密的に固定され、常電導接続部材３０―２では表裏面にそれぞれ外側収容管部２２１が取り付けられている。

また、外側リード部３６は、外側収容管部２２１よりも内側の領域であって、引出端子部３７と内側リード部３４との間の領域に形成されたスロット部３６４を有する。

スロット部３６４は、導電リード部３３において、引出端子部３７と電極部３２とを連続させるための通電経路Ｅを規定する。なお、スロット部３６４を内側リード部３４に設けて、内側リード部３４にスロット部３６４により規定される通電経路Ｅを形成してもよい。

スロット部３６４は、中心の超電導ケーブル１０を囲むように配置される複数のスロット３６４ａ、３６４ｂを有する。

スロット部３６４は、本実施の形態では、引出端子部３７と、電極部３２の超電導ケーブル１０との接触部分との間の通電経路Ｅの長さを、引出端子部３７と、電極部３２の超電導ケーブル１０との接触部分との間を少なくとも最短で結ぶ直線よりも長くなるように規定している。

本実施の形態では、スロット３６４ａ、３６４ｂは、それぞれ同心で且つ異なる直径の欠円状（円の一部を直線で切断した形状）をなしている。

最外周側のスロット３６４ａにおいて欠円部分を挟む端部は、半径方向で引出端子部３７と超電導ケーブル１０を挟んだ逆側の位置に配置させている。

また、スロット３６４ａに異なる直径で且つ、内周側で隣り合う同心のスロット３６４ｂでは、スロット３６４ｂの欠円部分を挟む端部を、スロット３６４ａにおいて欠円部分を挟む端部とは、同心を挟み逆側の位置であり、且つ、スロット３６４ａを挟み引出端子部３７の接続部分と対向する位置に位置させている。これら複数の欠円状のスロット３６４ａ、３６４ｂでは、隣り合うスロット同士で、欠円部分を挟む端部が、同心を挟んで逆側に配置される。

このように、常電導接続部材３０では、引出端子部３７に最も近接する最外周のスロット３６４ａの欠円部分を、引出端子部３７とは正対する方向に位置させることにより、熱伝導経路を長くしている。これにより、例えば、引出端子部３７に最も近接する最外周のスロット３６４ａの欠円部分を、引出端子部３７側に配置されるようにして常電導接続部材を形成した構成と比較して、同じ外形寸法の常電導接続部材でも熱侵入量を低減できる。

常電導接続部材３０は、通電経路Ｅ（本実施の形態では、引出端子部３７と電極部３２との間の内側リード部３４及び外側リード部３６における伝導熱が伝導する導電部分）の「長さ/断面積比」を、熱侵入量（伝導熱と通電時のジュール発熱の和）が最小値となるように設定している。

引出端子部３７は、導電リード部３３の外周面、つまり、外側リード部３６の外周面から外方に突出して設けられ、常温側の機器に接続される。

引出端子部３７は、真空槽２２の外周から外方に突出し、常温側に配置される。

引出端子部３７はここでは、外側リード部３６と一体の板状であり、外側リード部３６の外周の一部から突出する矩形板状に形成されている。

断熱材３９は、外側リード部３６に外部からの熱侵入を防止する。断熱材３９は、常電導接続部材３０において外側リード部３６及び引出端子部３７の外周を覆う。断熱材３９は、本実施の形態では、グラスウール等を芯材とした真空断熱材を用いているが、断熱効果を有するものであればどのようなものであってもよい。

冷却機構３８は、引出端子部３７及び導電リード部３３において引出端子部３７から電極部３２への通電経路Ｅとなる部位の端子部側の部位の双方或いは一方を冷却する。

冷却機構３８は、例えば、引出端子部３７自体を冷却したり、引出端子部３７から電極部３２への通電経路Ｅにおいて引出端子部３７側の部位を冷却したりする管状の冷却部を有する。

冷却部は、本実施の形態では、引出端子部３７内に形成される管状の冷却通路であり、冷却機構３８は、冷却部と、環状部内に充填される液体窒素等の冷媒とを有する。
具体的には、管状の冷却通路は、外側リード部３６と引出端子部３７とが連続する部分、つまり双方の接合部分の一端側から、一方の側辺部、上端部及び他方の側辺部に沿って連続する部位に形成された貫通穴である。管状の冷却通路は、冷却ユニット３８２に備えられ、例えば、低温容器２０の外部に設ける図示しないリザーバー、図示しないポンプ及び冷却装置３８２ａに、冷媒供給通路３８２ｂを介して連通する。これらを用いて、冷媒は、ポンプにより冷媒供給通路３８２ｂを介して低温容器２０の外部に取り出して一旦リザーバーで貯留し、このリザーバーから冷却装置に供給する。そして、ポンプにより冷却装置で冷却された冷媒が冷媒供給通路３８２ｂを介して管状の冷却通路である冷却機構３８内に戻るようにして、冷却機構３８は循環冷却を実現している。ポンプとして真空ポンプを用いることにより、冷却装置３８２ａでは、内部のガスは加熱されてから真空ポンプにより吸引され、冷却装置３８２ａ内が減圧されて気化熱により温度が下がる。冷却装置３８２ａと真空ポンプ間のガスを、冷却部に供給する。冷却部を通過させる冷媒は超電導ケーブル１０の冷却システムとは熱的に切り離された、廃冷熱を使用することが好ましい。

冷却部の冷却通路は、例えば、引出端子部３７と外側リード部３６との接合部分内を接合部分に沿って、且つ、通電経路Ｅを横切るように形成されてもよい。なお、冷却部が、引出端子部３７及び外側リード部内に冷却通路として形成される場合、冷却通路周辺の導電部分において電流が流れる方向と直交する断面が冷却通路断面積分の厚み分減らないように、冷却通路を囲む導電部分の厚みを厚くするように形成されてもよい。

また、端末構造体１を、液化ガスを気化させて使用しているプラントに用いる場合では、液化ガスの気化潜熱を利用することができる。

このように、本実施の形態の常電導接続部材３０によれば、冷却機構３８が、引出端子部３７から電極部３２への通電経路Ｅとなる部位の引出端子部３７側の部位、ここでは、引出端子部３７自体を冷却するので、通電時において、外部から超電導ケーブル１０への熱侵入量を減少させることができる。

ここで、超電導線材と常電部とを接続する端末構造体において、導電部分の「長さ/断面積比」を最適化させた電流リードの熱侵入量を、さらに低減させるためには、高温端温度を下げ、超電導ケーブルが駆動する際の温度との温度差を小さくする必要がある。しかしながら、冷媒の蒸発ガスを冷却に使用できる超電導マグネット等と違い、超電導ケーブルに対する冷媒は、蒸発すること無く循環させる構造が用いられるため、蒸発ガスを利用することはできない。また、超電導ケーブルを冷却している冷媒（ガスまたは液体）を利用すると、高温端からの熱が冷却システムに侵入するため、熱侵入量を低減することができない。よって、本実施の形態では、高温端である引出端子部３７或いは通電経路において引出端子部３７側を冷却する際に冷却機構３８の冷却部に供給される冷媒は、超電導ケーブルの冷却システムと、熱的に切り離された所から導入されることが好ましい。

これにより、端末構造体１において、使用環境によって、端子側の温度である高温端（室温側）の温度と、内側リード部３４側の温度である低温側（冷媒）の温度は予め決められた場合でも、導電部分の断面積を温度分布に合わせて変化させることなく、その温度差を低減できる。これにより、超電導ケーブル１０への熱侵入量を低減することを容易に行うことができる。
さらに、本実施の形態の常電導接続部材３０は、高温端部分に冷却通路となる貫通穴を設け、そこに冷媒を通過させることにより、簡易な構成で、使用環境下に関わらず熱侵入量を低減できる常電導接続部材を実現することができる。

また、常電導接続部材３０では、導電リード部３３及び引出端子部３７は断熱材３９により覆われているので、外部から常電導接続部材３０内部への熱が一層侵入しにくくなっており、超電導ケーブル１０は、好適な通電を行うことができる。

（実施の形態２）
＜常電導接続部材３０Ａの構成＞
図６は、本発明の実施の形態２に係る常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す正面図であり、図７は、本発明の実施の形態２に係る常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す側面である。また、図８は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。

図６〜図８に示す常電導接続部材３０Ａは、実施の形態１の端末構造体１において、常電導接続部材３０に換えて、内側収容管部２１１と外側収容管部２２１とに軸方向で接続される。常電導接続部材３０Ａは、冷却機構３８Ａを電流リード部３３Ａの高温端に接触させて冷却する。

常電導接続部材３０Ａは、常電導接続部材３０と同様に、超電導ケーブル１０において外周面となる各超電導導体層のそれぞれに同様に接続される。図６から図８に示す常電導接続部材３０Ａは、例えば、図１の常電導接続部材３０−２として説明する。

常電導接続部材３０Ａは、内側収容管部２１１（冷媒槽２１）の内側の超電導ケーブル１０の外周面に位置する超電導導体層１１２の端末に電気的に接続され、超電導ケーブル１０と、常温側の機器とを電気的に接続する。

常電導接続部材３０Ａは、常電導接続部材３０と同様の基本的な構成及び機能を有し、常電導接続部材３０と比較して、外側リード部３６Ａと、引出端子部３７Ａ及び冷却機構３８Ａの構成要素が異なり、その他の構成要素は同様である。したがって、以下では、常電導接続部材３０Ａの説明に際し、常電導接続部材３０と同様の構成については同符号同名称を付して説明は省略し、異なる構成要素について詳細に説明する。

常電導接続部材３０Ａは、電極部３２、導電リード部３３Ａ、引出端子部３７Ａ、冷却機構３８Ａ、被覆断熱材３９を有する。なお、電極部３２、導電リード部３３Ａおよび引出端子部３７Ａは、導電性を有し、電気的に接続される。

常電導接続部材３０Ａにおける導電リード部３３Ａは、引出端子部３７Ａと電極部３２との間の部位により形成され、引出端子部３７Ａから電極部３２への通電経路Ｅ１を有する。

導電リード部３３Ａは、電極部３２の外周にマルチコンタクト３５ａを介して電気的に接続された内側リード部３４と、内側リード部３４の外周にマルチコンタクト３５ｂを介して電気的に接続された外側リード部３６Ａとを有する。なお、内側リード部３４には、固定穴３４２を介してボルト等の止着材により内側収容管部２１１が固定され、外側リード部３６Ａには、固定穴３６２を介してボルト等の止着部材により外側収容管部２２１が固定される。内側リード部３４の中心軸と外側リード部３６Ａの中心軸は同一軸であり、超電導ケーブル１０とも同一軸心上となるように配置されている。

外側リード部３６Ａは、外側リード部３６と同様の機能を有する。外側リード部３６Ａは、例えば、外側リード部３６と同様に、銅等の導電部材により環状に形成され、ここでは、内側リード部３４と同じ厚みの円環板状に形成されている。なお、外側リード部３６Ａの厚みは、外側リード部３６と同様に、内側リード部３４の厚みと同じ厚みでなくてもよく、内側リード部３４よりも厚くても、薄くても良い。また、外側リード部３６は、部分的に厚い部分を有していてもよい。

外側リード部３６Ａは、表裏面を貫通して形成され、通電経路Ｅ１の一部を形成するスロット部３６４を有するとともに、外周面の一部で引出端子部３７Ａが接続されている。スロット部３６４は、外側リード部３６のものと同様に形成され同様の機能を有する。引出端子部３７に最も近接する最外周のスロット３６４ａの欠円部分が、引出端子部３７Ａとは正対する方向に位置されており、これにより、熱伝導経路が長くなっている。なお、スロット部３６４は、外側収容管部２２１同士を連通させている。

外側リード部３６Ａでは、通電経路Ｅ１の長さは、引出端子部３７Ａと、電極部３２の超電導ケーブル１０との接触部分との間の長さであり、引出端子部３７Ａと、電極部３２の超電導ケーブル１０との接触部分との間を少なくとも最短で結ぶ直線よりも長い。なお、通電経路Ｅ１（本実施の形態では、引出端子部３７Ａと電極部３２との間の内側リード部３４及び外側リード部３６Ａにおける伝導熱が伝導する導電部分）の「長さ/断面積比」を、熱侵入量（伝導熱と通電時のジュール発熱の和）が最小値となるように設定されることが好ましい。

引出端子部３７Ａは、導電リード部３３Ａの外周面、つまり、外側リード部３６Ａの外周面から外方に突出するように接合され、常温側の機器に接続される。

引出端子部３７Ａは、常電導接続部材３０の引出端子部３７と比較して、外側リード部３６Ａと一体に形成されておらず、ここでは、導電性を有する矩形板状の端子本体部３７２と、端子本体部３７２の一端面と、外側リード部３６Ａの外周の一部とを接続する導電部３７４とを有する。

端子本体部３７２は、外側リード部３６Ａと同様の導電材料、例えば、銅により形成され、外部の機器の端子に固定されて電気的に接続される。

導電部３７４は、ここでは、端子本体部３７２と外側リード部３６Ａとを間に介設され、その長さと導電部分の断面積（通電方向に直交する断面積）を調節した部材からなる。導電部３７４は、その長さと導電部分の断面積が調製されていることにより、引出端子部３７Ａ側、端末構造体１が設置される環境温度下における熱侵入量（伝導熱と通電時のジュール発熱の和）を最小値化、つまり、最適化されたものである。端末構造体１が設置される環境温度下は、常電導接続部材３０Ａの高温端である室温側の温度と超電導ケーブル１０側（低温側（冷媒）の温度とが決められている環境下である。

導電部３７４は、例えば、素線を絶縁被覆膜で被覆したエナメル線を撚り合わせて束ねて形成されたリッツ線とする。

冷却機構３８Ａは、引出端子部３７Ａ及び導電リード部３３Ａにおいて引出端子部３７Ａから電極部３２への通電経路Ｅ１となる部位の端子部側の部位の双方或いは一方を冷却する冷却部を有する。

冷却機構３８Ａは、引出端子部３７Ａ自体を冷却してよいが、ここでは、冷却部は、引出端子部３７Ａから電極部３２への通電経路Ｅ１において引出端子部３７Ａ側の部位を冷却する。

冷却部は、本実施の形態２では、引出端子部３７Ａと外側リード部３６Ａとの接合部分に隣接配置された冷却管であり、冷却管内に液体窒素等の冷媒が充填される。

冷却管は、外側リード部３６Ａと引出端子部３７Ａとが連続する部分、つまり双方の接合部分の一端側から、一方の側辺部、上端部及び他方の側辺部に沿って連続する部位に、軸方向で離間する表裏面で密着した状態で隣接配置されている。

冷却管は、冷却機構３８Ａの管状の冷却通路と同様に、冷却ユニット３８２Ａに備えられ、低温容器２０の外部に設けるリザーバー、ポンプ及び冷却装置に、冷媒供給通路を介して連通される。これらを用いて冷媒が供給され、且つ、循環するように形成される。

これにより、端末構造体において、使用環境によって、端子側の温度である高温端（室温側）の温度と、内側リード部側の温度である低温側（冷媒）の温度は予め決められた場合でも、導電部分の断面積を温度分布に合わせて変化させた際の最適化値で求められる熱侵入量よりも更に低い熱侵入量にすることができる。なお、常電導接続部材３０Ａでは、導電リード部３３Ａ及び引出端子部３７Ａは断熱材３９により覆われているので、外部から常電導接続部材３０Ａ内部への熱が一層侵入しにくくなっており、超電導ケーブル１０は、好適な通電を行うことができる
これにより、引出端子部３７Ａを介して超電導ケーブル１０に常温部から通電される際に、超電導ケーブル１０に均一に通電させることができ、熱侵入量も極力低減することができ、好適な通電状態を確保できる。

［実施例１］
図３〜図５に示すように冷却機構３８の冷却部に冷媒となる窒素ガスを通過させて高温端全体を冷却する常電導接続部材３０を、無酸素銅（Ｃ１０２０）に銀メッキした材料を用いて製造した。大気と接触する引出端子部３７及び導電リード部３３の外周部分は真空断熱材（断熱材３９）により覆った。実施例１の常電導接続部材３０において、高温端の温度、つまり、室温側温度である外側リード部３６の引出端子部３７における温度は、３００Ｋであり、低温端温度、つまり、内側リード部３４における温度は７０Ｋである。この実施例１の常電導接続部材３０にＡＣ３０００Ａ（実効値）であり、周波数６０Ｈｚで通電した際の熱侵入量を測定した。これを表１に示す。

［実施例２］
図６〜図８に示すように導電部分の「長さ／断面積比」を最適化して、冷却機構３８Ａの冷却管（冷却部）に冷媒となる窒素ガスを通過させて高温端側を冷却する常電導接続部材３０Ａを、無酸素銅（Ｃ１０２０）に銀メッキした材料を用いて製造した。大気と接触する引出端子部３７Ａ及び導電リード部３３Ａの外周部分は真空断熱材（断熱材３９）により覆った。この実施例２の常電導接続部材３０Ａに、実施例１と同様の環境下で、且つ、実施例１と同様の条件で通電して常電導接続部材３０Ａにおける熱侵入量を測定した。これを表１に示す。

［比較例１］
実施例１と同様の材料で、冷却機構３８を有しない従来型の常電導部材を製造した。この比較例１の常電導接続部材に実施例１と同様の環境下で、且つ、実施例１と同様の条件で通電して、常電導接続部材における熱侵入量を測定した。これを表１に示す。

これら実施例１、２及び比較例１のそれぞれについて、通電電流ＡＣ３０００Ａ（実効値）、周波数６０Ｈｚで通電して、熱侵入量を測定したところ、実施例１及び実施例２では、５５Ｗであり、比較例１は１４６Ｗであった。なお、熱侵入量は、カロリメトリック法にて測定した。

このように測定の結果、実施例１及び実施例２では、比較例１に対して３８％の熱侵入量となり、実施例１及び実施例２ともに比較例１と比較して減少することが判った。

つまり、常電導接続部材３０、３０Ａに示すように、高温端である引出端子部３７、３７Ａ側を冷却することにより、熱侵入量を大幅に低減されることがわかった。

また、実施例１と実施例２とを比較して、室温側から冷却部までの導電部分においても「長さ／断面積比」を最適化することにより、冷却機構の冷却部を冷却するのに必要なエネルギーを低減出来ることが判った。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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。

１ 端末構造体
１０ 超電導ケーブル
１１ ケーブルコア
１２ 断熱管
１５ 電界緩和部
２０ 低温容器
２１ 冷媒槽
２２ 真空槽
２３ がい管部
３０、３０Ａ 常電導接続部材
３２ 電極部
３３、３３Ａ 導電リード部
３４ 内側リード部
３５ａ、３５ｂ マルチコンタクト
３６、３６Ａ 外側リード部
３７、３７Ａ 引出端子部（端子部）
３８、３８Ａ 冷却機構
３９ 断熱材
４０ シールド接続端子
５２ 内部接続部
５４ 外部接続部
１１１ 中央冷却管
１１２ 超電導導体層
１１３ 電気絶縁層
１１４ ケーブルシールド層
１１５ 保護層
１２１ 断熱内管
１２２ 断熱外管
２１１ 内側収容管部
２２１ 外側収容管部
３２２ 貫通孔
３４２ 固定穴
３６４ スロット部
３７２ 端子本体部
３７４ 導電部
３８２ａ 冷却装置
３８２ｂ 冷媒供給通路
３６４ａ、３６４ｂ スロット
Ｅ、Ｅ１ 通電経路

Claims (5)

1. 超電導ケーブルに接続して、当該超電導ケーブルを常温側の機器に電気的に接続する常電導接続部材であって、
   前記超電導ケーブルの外周に配置され、前記超電導ケーブルに接続される電極部と、
   前記電極部の外周にフランジ状に配置され、前記電極部に接続される導電リード部と、
   前記導電リード部に当該導電リード部の外周側で接続され、且つ、前記常温側の機器に接続される端子部と、
   前記端子部自体と、前記導電リード部において前記端子部から前記電極部への通電経路の端子部側の部位とのうちの少なくとも一方を冷却する冷却機構と、
   を有する、
   常電導接続部材。
2. 前記冷却機構は、前記端子部自体と、前記導電リード部における前記通電経路の端子部側の部位とのうちの少なくとも一方に貫通して形成され、内部に冷媒が流通する冷却通路を有する、
   請求項１記載の常電導接続部材。
3. 前記冷却機構は、前記端子部自体と、前記導電リード部における前記通電経路の端子部側の部位とのうちの少なくとも一方に接触して配置され、内部を流通する冷媒により、前記少なくとも一方を冷却する冷却管を有する、
   請求項１記載の常電導接続部材。
4. 前記導電リード部の外周には、当該外周を覆う断熱材が設けられている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の常電導接続部材。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の常電導接続部材と、
   前記常電導接続部材に接続される超電導ケーブルと、
   を有する、
   超電導ケーブルの端末構造体。

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