JP2019153442A

JP2019153442A - 超伝導送電管

Info

Publication number: JP2019153442A
Application number: JP2018037135A
Authority: JP
Inventors: 洋之渡邊; Hiroyuki Watanabe; 田中　秀樹; Hideki Tanaka; 秀樹田中; 洋太一木; Yota Ichiki; 伸夫岩城; Nobuo Iwaki; 透荻津; Toru Ogitsu
Original assignee: Hitachi Ltd; High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: Hitachi Ltd; High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2038-03-02
Also published as: JP7072162B2

Abstract

【課題】歪みに弱い高温超伝導体を超伝導線として用いることが可能な超伝導送電管を提供する。【解決手段】超伝導送電管１００は、超伝導線１と超伝導線１が挿入されたシース２とからなる導体ユニット３は、冷媒が充填された冷却管５内に固定部材４を介して剛に支持され、冷却管５は、真空排気された外管８内に荷重支持部材７を介して剛に支持されて構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導線を用いて電流を送電する送電管に関する。

一般に、商用電力の送電用や鉄道のき電線用に研究・開発されている高温超伝導体を用いた電力ケーブルは、事故時の安全性確保などの観点から、その性能などに一定の余裕を確保しておく必要がある。そのため、その電力ケーブルの構造は、どうしても複雑にならざるを得ない面があった。

また、このような電力ケーブルで採用が検討されている高温超伝導体は、多くがビスマス系超伝導体（一部レアアース系）であり、その形状は、テープ状である。そのため、その電力ケーブルのコアは、芯となるもの（例えば銅線）にテープ状の超伝導体をらせん状に巻きつけた構造となっている。

これに対し、近年では、高温超伝導体ではあるが、より安価でありふれた化合物であるＭｇＢ_２（二ホウ化マグネシウム）を用いることも多くなっている。例えば、欧州原子核研究機構（ＣＥＲＮ）では、加速器研究施設内における電力消費量を低減することを目的として、ＭｇＢ_２を用いた超伝導送電管が開発されている。この超伝導送電管は、直流で使用されるものであるが、大電流で使用されることもあって、複雑な構造となっている（非特許文献１参照）。

しかしながら、超伝導送電管が比較的低電流で直流または低周波交流の電力ケーブルとして用いられるような場合には、必ずしも従来のような複雑な構造である必要はないと考えられる。例えば、非特許文献２に示されているような加速器システムにおけるトランスミッション型磁石に適用される超伝導送電管では、帰路導体が必要でなく、また、冷媒も一方向の流路があればよい。

ところで、超伝導送電管（超伝導体を用いた電力ケーブル）では、電流路となる超伝導体を超伝導の臨界温度以下の温度に冷却する必要がある。そのため、超伝導送電管は、通常、電流路となる超伝導体およびそれを冷却する冷媒が入れられた内管が真空の外管の中に入れられるという、少なくとも二重の管構造を有することとなる。例えば、特許文献１には、外管と内管とからなる二重の管構造を有し、その内管内に３芯の超伝導ケーブルコアが設けられている超伝導ケーブルの例が開示されている。なお、この超伝導ケーブルコアでは、ビスマス系の超伝導テープ材が用いられている。

特開２０１１−１７９５４３号公報

A. Ballarino, 他５名, "Progress on MgB2 at CERN", ［online］, April 9, 2014, CERN, ［平成２９年４月１０日検索］, インターネット, ＜ＵＲＬ：http://www.slideshare.net/SR2S/progress-on-mgb2-at-cern＞ Toru Ogitsu, 他７名, "Design Study of Superconducting Transmission Line Magnet for J-PARC MR Upgrade", DOI (identifier) 10.1109/TASC.2017.2656247, for publication in IEEE Transactions on Applied Superconductivity (January 20, 2017)

以上、背景技術でも述べたように、従来の超伝導電力ケーブルである超伝導送電管は、構造が複雑、言い換えれば、民生用など比較的小規模のシステムに適用するには過剰な仕様の構造となっている。その結果、比較的小規模のシステム、とくに短距離送電の用途では、超伝導送電管のコストが相対的に高くつくものとなっている。

一方、比較的小規模な用途であっても、超伝導送電管を直流または低周波数の交流を流す電力ケーブルとして用いる限り、その電流路となる超伝導体（超伝導線）は、外部磁場や自身の電流に応じて決して小さくない電磁力を受けることとなる。そして、その電磁力により、超伝導線が変形し歪が生じると、超伝導線の超伝導特性が劣化する可能性がある。とくに、ＭｇＢ_２が超伝導線に用いられる場合、ＭｇＢ_２は、他の高温超伝導体に比べ歪みに弱いので、超伝導送電管の構造は、超伝導線に大きな歪みが生じないようなものとする必要がある。

本発明の目的は、歪みに弱い高温超伝導体を超伝導線として用いることが可能な超伝導送電管を提供することにある。

本発明に係る超伝導送電管は、超伝導線と、前記超伝導線が挿入されたシースと、前記シースが挿入されるとともに、前記シースを冷却する冷媒が充填された冷却管と、前記冷却管が挿入されるとともに、真空排気された外管と、を備えてなる超伝導送電管であって、前記シースは、前記冷却管内に設けられた第１の支持部材によって、前記冷却管に剛に支持され、前記冷却管は、前記外管内に設けられた第２の支持部材によって、前記外管に剛に支持されていることを特徴とする。

本発明によれば、歪みに弱い高温超伝導体を超伝導線として用いることが可能な超伝導送電管が提供される。

第１の実施形態に係る超伝導送電管の中心軸方向に垂直な切断面から見える断面図の例を示した図。第１の実施形態に係る超伝導送電管の中心軸を含む切断面における断面図の例を示した図。第１の実施形態の変形例に係る超伝導送電管の導体ユニットの構成の例を示した図。第２の実施形態に係る超伝導送電管の中心軸方向に垂直な切断面から見える断面図の例を示した図。第３の実施形態に係る超伝導送電管の中心軸方向に垂直な切断面から見える断面図の例を示した図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超伝導送電管１００の中心軸方向に垂直な切断面から見える断面図の例を示した図である。また、図２は、本発明の第１の実施形態に係る超伝導送電管１００の中心軸を含む切断面における断面図の例を示した図である。

図１および図２に示すように、超伝導送電管１００は、超伝導体からなる超伝導線１と、超伝導線１が挿入されたシース２と、シース２を冷却する冷媒が充填された冷却管５と、冷却管５を真空排気された空間内に保持する外管８と、を備えて構成される。そして、シース２は、固定部材４を介して冷却管５の内壁に固定され、また、冷却管５は、荷重支持部材７を介して外管８の内壁に固定される。すなわち、シース２は、冷却管５に剛に支持され、冷却管５は、外管８に剛に支持される。

ここで、シース２の外側で冷却管５の内側の空間は、冷媒の流路９となる。なお、本実施形態では、冷媒の流れの方向は一方向のみであり、図２では、その方向が矢印で示されている。また、冷却管５の外側で外管８の内側の空間は、真空排気された真空空間１０であり、真空断熱空間として用いられる。すなわち、真空空間１０は、外管８の熱が冷却管５に伝導するのを抑制するために設けられた空間である。

また、シース２を冷却管５に固定する固定部材４および冷却管５を外管８に固定する荷重支持部材７は、図１および図２に示すように、いずれもドーナツ状の円板で構成されている。そして、その円板面には、複数の大きな開口部（図１でいえば、冷媒の流路９および真空空間１０に対応）が設けられている。ここで、固定部材４に設けられた開口部は、冷媒の流路９を確保するために設けられたものであり、また、荷重支持部材７に設けられた開口部は、真空排気のためと外管８と冷却管５とをつなぐ熱伝導路を小さくするために設けられたものである。

さらに、図２に示すように、固定部材４および荷重支持部材７は、超伝導送電管１００の中心軸に沿って、所定の間隔（例えば、２００ｍｍ）で配置され、それぞれ冷却管５および外管８に固定される。また、冷却管５の外側で荷重支持部材７が設けられていない部分には、外管８から冷却管５への輻射熱の侵入を抑制するためのスーパーインシュレータ６が設けられている。スーパーインシュレータ６は、多重断熱材であり、例えばアルミニウム蒸着フィルムとスペーサーとが積層されたもので構成される。

なお、荷重支持部材７は、低温の冷却管５を常温の外管８で剛に支持させるための部材であるため、例えば、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）のような剛性が大きくかつ熱伝導率の小さい材料によって構成される。ただし、超伝導送電管１００の仕様やその使用条件によっては、荷重支持部材７をＦＲＰでない通常のプラスチックで構成してもよい。

本実施形態では、超伝導線１の材料は、ＭｇＢ_２であるとするが、これに限定されず、他の超伝導体であってもよい。なお、超伝導線１の材料がＭｇＢ_２である場合、冷却管５内を通流させる冷媒として、例えば、２０Ｋのヘリウムガスを用いることができる。

また、本実施形態では、超伝導線１と超伝導線１が挿入されたシース２とをまとめて導体ユニット３と称する。そして、シース２を、例えば、銅などの良導体の金属で構成するものとする。その場合には、シース２を、超伝導線１が常電導転移したときの予備の電流路として利用することができる。なお、このことについては、後記にて別途説明する。

また、ＭｇＢ_２を材料とする超伝導線１とシース２とからなる導体ユニット３を製造する場合には、その製造手順として、熱処理前の超伝導線１をシース２に通しておき、シース２ごと熱処理するという製造方法を採用することができる。この場合、ＭｇＢ_２を材料とする超伝導線１の歪み許容量は、熱処理後よりも熱処理前のほうが大きいことから、導体ユニット３製造時の作業性を向上させることができるという利点がある。

そして、その結果として、超伝導線１を曲がった状態のシース２へ挿入することも、あるいは超伝導線１をシース２へ挿入した後、シース２に曲げを加えることも容易になる。これにより、曲がりのある導体ユニット３、すなわち、曲がりのある超伝導送電管１００を製造することも可能となる。

なお、以上のように超伝導線１をシース２に通してから熱処理するという導体ユニット３の製造方法は、超伝導線１の材料がＭｇＢ_２である場合に限定されず、熱処理が必要な他の超伝導材料に対しても共通に適用可能である。

ところで、超伝導線１は、径の大きな単線や直線状の細線の束などであってもよいが、複数の細線を撚り合せた撚り線であったほうが好ましい。超伝導線１を複数の細線による撚り線で構成した場合には、複数の細線が撚り合されて一体化されるので、シース２への挿入性が良くなる。また、外部磁場変化や交流通電時の結合損失（渦電流損失など）を低減させることができる。

また、超伝導線１は、シース２に単に挿入されているだけもよいが、超伝導線１が挿入されたシース２内の空隙に樹脂または金属が充填されているほうがさらに好ましい。超伝導線１の寸法やシース２の寸法は、超伝導送電管１００を流れる電流に応じて適宜決定されるが、超伝導線１をシース２に単に挿入しただけでは、超伝導線１がシース２内で空間的余裕を持った構造となる場合があり得る。その場合、外部磁場などにより超伝導線１に電磁力が印加されると、超伝導線１がシース２内で歪んだり撓んだりして、その超伝導特性が劣化する恐れがある。そこで、超伝導線１が挿入されたシース２内の空隙に樹脂や半田などを充填させ、超伝導線１とシース２とを物理的に一体化することにより、電磁力などに起因する超伝導線１の歪みや変形を防止することができる。

また、本実施形態では、超伝導送電管１００の仕様に応じて、導体ユニット３と冷却管５との間は、電気的に絶縁されているとしてもよいし、電気的に接続されているとしてもよい。導体ユニット３と冷却管５との間を電気的に絶縁する場合には、固定部材４の材料としては、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic）や樹脂などの絶縁材を使用することとなる。

しかしながら、導体ユニット３とアース間の電位差が大きい場合や、冷媒にヘリウムガスを使用するような場合には、寸法にもよるが、導体ユニット３と冷却管５との間で絶縁を確保するのは困難となる場合がある。その場合には、ステンレスなどの金属製の固定部材４を介して導体ユニット３と冷却管５とを電気的に接続するものとし、冷却管５と外管８との間で絶縁をとるのがよい。

なお、前記したように、冷却管５と外管８との間の真空の空間１０は、断熱のための空間である。したがって、冷却管５と外管８とをつなぐ荷重支持部材７は、断熱性確保の要請から熱伝導度の小さいＦＲＰなどの絶縁材が使用される。したがって、冷却管５と外管８との間で絶縁をとることは、合理的といえる。

以上のように本実施形態に係る超伝導送電管１００は、一方向の電流路となる超伝導線１しか備えておらず、また、一方向の冷媒流路となる冷却管５しか備えていない。つまり、本実施形態では、超伝導送電管１００の構造は、簡素なものとなっており、その結果、超伝導送電管１００の製造コストを低減することができる。

また、本実施形態に係る超伝導送電管１００では、導体ユニット３（シース２）は、冷却管５に剛に支持され、冷却管５は、外管８に剛に支持されているので、超伝導線１が電磁力などを受けて歪むこと（変形すること）を抑制することができる。そのため、超伝導線１の材料としてＭｇＢ_２など歪みに弱い高温超伝導体を用いた場合でも、超伝導線１の超伝導特性の劣化を抑制することができる。

（第１の実施形態の変形例）
図３は、第１の実施形態の変形例に係る超伝導送電管１００の導体ユニット３ａの構成の例を示した図であり、（ａ）は、導体ユニット３ａの中心軸を含む第１の切断面における断面図、（ｂ）は、導体ユニット３ａの中心軸を含み第１の切断面に垂直な第２の切断面における断面図である。

一般に、超伝導線１を電力の送電線として用いる場合には、超伝導線１の常電導転移の事故対策が施される。すなわち、超伝導線１が常電導転移を起こすと、超伝導線１に流れる大電流により過大なジュール発熱が発生し超伝導線１が焼損することとなる。そこで、超伝導線１の適当な複数箇所に電圧端子を設けておき、その複数箇所間の電圧の異常を検知することにより電源遮断を行い、超伝導線１の焼損を防ぐようにされている。

しかしながら、超伝導状態での超伝導線１の電流容量や、電圧異常の検知から電流遮断までの時間遅れなどの問題により、超伝導線１に流れる大電流が適切に遮断されず瞬間的に過大なジュール発熱が生じ、超伝導線１の保護が困難になる場合がある。そのような場合に備え、しばしば、超伝導線１に流れる電流を迂回させる電流の迂回路が設けられることがある。

前記した第１の実施形態において、超伝導線１とシース２との間の空隙に半田などの導体物質が充填され、超伝導線１とシース２とが至る所で電気的に接続されている場合には、超伝導線１とシース２とは至る所で同電位となる。このような場合には、超伝導線１に常電導転移が発生しても、超伝導線１を流れていた電流は、すぐさま、銅などの良導体からなるシース２へ迂回して流れることとなる。したがって、超伝導線１が焼損する事故を防ぐことができる。

しかしながら、超伝導線１とシース２との間の空隙に絶縁物質が充填された場合や何も充填されなかった場合には、超伝導線１とシース２とが必ずしも電気的に接続されるとは限らない。このような場合には、超伝導線１に常電導転移が発生すると超伝導線１を流れていた電流の迂回路がないので、超伝導線１が焼損する恐れがある。

そこで、本変形例では、導体ユニット３ａが超伝導線１とシース２とこれらの両端部に設けられた銅板１１により構成されるものとし、超伝導線１およびシース２は、いずれも銅板１１に電気的に接続されているものとした。また、シース２は、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金などの良導体の金属で構成されているものとする。

なお、図３では、シース２内における超伝導線１の詳細な構造の図示は省略されているが、ここでは、超伝導線１は、超伝導体の複数の細線１ａを撚り合せた撚り線であるとしている。そして、その複数の細線１ａが銅板１１に半田付けされているものとする。また、この場合、シース２と超伝導線１との空隙には、半田などの導電性の金属や絶縁性の樹脂が充填されていてもよく、さらには、何も充填されていなくてもよい。

以上のような構成の導体ユニット３ａを有する超伝導送電管１００では、超伝導線１の常電導転移は、導体ユニット３ａの両端に設けられた２つの銅板１１の間の電圧異常として検出される。そして、その電圧異常が検出されると、超伝導線１を流れる電流は、遮断されるが、遮断するまでの時間遅れの間に超伝導線１を流れる電流の一部または大部分は、シース２へ迂回して流れることとなる。したがって、超伝導線１に大電流が流れるのを防止することができるので、超伝導線１の焼損を防止することができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る超伝導送電管１００ａの中心軸方向に垂直な切断面から見える断面図の例を示した図である。図４に示すように、第２の実施形態に係る超伝導送電管１００ａの構造は、冷却管５と外管８との間の真空空間１０に、両者を隔てるように筒状のシールド板１２が設けられている点で、第１の実施形態に係る超伝導送電管１００と相違している。また、第１の実施形態に係る超伝導送電管１００では、スーパーインシュレータ６が冷却管５の外側に接する位置に設けられていたが、第２の実施形態に係る超伝導送電管１００ａでは、シールド板１２の外側に接する位置に設けられている点でも相違している。

シールド板１２は、いわゆるサーマルアンカとして機能し、外管８から冷却管５への輻射熱を遮断するために設けられたものである。冷却管５の中を流れる冷媒の温度は、例えば１０Ｋの場合、外管８の外側の温度は３００Ｋ（常温）程度であるので、両者の温度差が大きい。このような場合、両者の中間の位置にサーマルアンカ（シールド板１２）を設けることにより、冷却管５への輻射熱の侵入量を効果的に低減させることができる。また、この場合、スーパーインシュレータ６は、シールド板１２の内側に配置するよりも、外側に配置したほうが輻射熱遮断の効果が大きい。

その他、第２の実施形態の効果は、第１の実施形態の効果と同様である。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る超伝導送電管１００ｂの中心軸方向に垂直な切断面から見える断面図の例を示した図である。図５に示すように、第３の実施形態に係る超伝導送電管１００ｂの構造は、冷却管５の中に２本（複数）の導体ユニット３が挿入されている点で、第１の実施形態に係る超伝導送電管１００と相違している。

冷却管５の中に挿入されている２本の導体ユニット３が互いに接触して、両者の超伝導線１同士が電気的に接続されていてもよい。あるいは、２本の導体ユニット３が互いに離間し、両者の超伝導線１同士が電気的に絶縁されていてもよい。なお、２本の導体ユニット３が互いに絶縁されている場合には、両者の超伝導線１を電流の方向などが異なる２つの電流路として用いることができる。

なお、本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。

１超伝導線
１ａ細線
２シース
３，３ａ導体ユニット
４固定部材（第１の支持部材）
５冷却管
６スーパーインシュレータ
７荷重支持部材（第２の支持部材）
８外管
９冷媒の流路
１０真空の空間
１１銅板
１２シールド板
１００，１００ａ，１００ｂ超伝導送電管

Claims

超伝導線と、前記超伝導線が挿入されたシースと、前記シースが挿入されるとともに、前記シースを冷却する冷媒が充填された冷却管と、前記冷却管が挿入されるとともに、真空排気された外管と、を備えてなる超伝導送電管であって、
前記シースは、前記冷却管内に設けられた第１の支持部材によって、前記冷却管に剛に支持され、
前記冷却管は、前記外管内に設けられた第２の支持部材によって、前記外管に剛に支持されていること
を特徴とする超伝導送電管。
前記シースに挿入される超伝導線は、超伝導体からなる細線を撚り合せた撚り線であること
を特徴とする請求項１に記載の超伝導送電管。
前記超伝導線が挿入された前記シース内の空隙には、樹脂または金属が充填されていること
を特徴とする請求項１に記載の超伝導送電管。
前記超伝導線は、ＭｇＢ_２により構成されていること
を特徴とする請求項１に記載の超伝導送電管。
前記冷却管は、前記シースに電気的に接続され、前記外管とは電気的に絶縁されていること
を特徴とする請求項１に記載の超伝導送電管。
前記シースは、銅、アルミニウム、銅合金およびアルミニウム合金のうちのいずれかの金属により構成され、前記シースの両端部は、前記超伝導線の両端部と電気的に接続されていること
を特徴とする請求項１に記載の超伝導送電管。
前記冷却管の外側で前記外管の内側の間の位置には、輻射熱を遮断するシールド板が設けられ、前記シールド板の外側には、さらにスーパーインシュレータが設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の超伝導送電管。