JP4031204B2 - 超電導ケーブルの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導ケーブルの製造方法に関するものである。特に、冷却時のケーブルコアの収縮代を確保し易い超電導ケーブルが容易に得られる製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導ケーブルは、布設後に液体窒素などの冷媒をケーブル内に流して冷却される。その際、ケーブル最外層は常温で、ケーブルの内部は約−200℃となり、ケーブル内外の温度差は200℃以上となる。そのときに冷却された部分のケーブル構成材料である金属は約0.3％収縮し、具体的にはケーブル100ｍごとに30cm程度の熱収縮を生じる。通常、超電導ケーブルの導体は複数のケーブルコアが撚り合わされて構成されており、ケーブルの両端部は中間接続部や終端接続部で固定されるため、撚り合わせたケーブルコアが収縮すると撚りが締まり、ケーブルは軸方向の応力と共に側圧を受け、機械応力に対して性能劣化の大きい超電導導体がダメージを受ける。そのため、この熱収縮を吸収する機構が必要となる。
【０００３】
従来、このような熱収縮に対応する技術として、特開平9-134620号に記載のものが知られている。これは、3芯のケーブルコアの中心に熱収縮率の大きい介在物を挿入して撚り合わせ、介在物の熱収縮により3芯ケーブルコアの撚り合わせ径を変化させて熱収縮を吸収するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の技術ではケーブルコアの他に熱収縮率の大きい介在物を用いなければならず、部品点数が増える。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、ケーブルコアに他の部材を複合することなく熱収縮を吸収できる超電導ケーブルの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、断熱管内にケーブルコアを弛みを持たせた状態で収納できるよう、コア間にスペーサを一時的に介在させることで上記の目的を達成する。
【０００７】
すなわち、本発明超電導ケーブルの製造方法は、複数芯のコアの撚り合わせ時に各コア間のそれぞれにスペーサを設ける工程と、この撚り合わせたコアを断熱管内に収納する前に撚り合わせたコアの撚り溝の間からスペーサを引き出すことで取り除き、撚りを弛ませた状態で断熱内管内にコアを収納する工程とを具えることを特徴とする。
【０００８】
複数芯、例えば３芯のコアを撚り合わせる際、各コアの間にスペーサを介在させる。これにより、各コアは、スペーサの厚み分だけ間隔を持った状態で撚り合わされる。次に、撚り合わせたコアを断熱管に収納する際、前記スペーサを除去してスペーサの厚み分の弛みを維持したまま断熱管に収納する。その際、スペーサの厚みを最適化することで、断熱管内で冷却時の熱収縮分を吸収できる弛みを具えた３芯コアを容易に形成することができる。
【０００９】
スペーサの除去は、断熱管内に収納する工程の直前に行うことが好ましい。通常、断熱管は外管と内管との間に真空断熱層を形成した構造で、内管の内部に撚り合わせたコアを収納する。この内管は、ステンレス製の場合、一般的には撚り合わされたケーブルコアの外周を金属板で被覆し、この金属板の継目を順次溶接機で溶接しながら形成される。そこで、この溶接機に導入される前にスペーサを除去すれば良い。また、内管が鉛製やアルミニウム製の場合は、ケーブルコアの外周に金属を押出して形成することもあり、この場合は押出機への導入前にスペーサを除去すれば良い。
【００１０】
スペーサの除去は、撚り合わせたコアの撚り溝の間から引き出すことで容易に行える。例えば、前記溶接機または押出機に導入する直前でラインの側方にスペーサを引き出して巻き取るなどすれば良い。
【００１１】
スペーサの材質は、可撓性があり、厚み方向に強度のあるものが好ましい。より具体的には、フッ素樹脂系、ビニール系、ゴム系、紙系、フェルト系の材料が挙げられる。
【００１２】
スペーサの形態は、長尺のテープ状が好適である。特に、スペーサの厚みは以下の条件を満足することが好ましい。
【００１３】
［ 1 ］必要弛み量A0≦設計弛み量A1
ただし、必要弛み量A0は熱収縮によるコアの収縮率は {（収縮後のコアの1ピッチの長さ/収縮前のコアの1ピッチの長さ）−1}×100であり、設計弛み量A1はスペーサを設けたコアの１ピッチの長さをL1、スペーサを設けないコアの１ピッチの長さをL2としたとき、{（L1/L2）−1}×100で表される。
【００１４】
［ 2 ］包絡円直径≦断熱管内径B
ただし、包絡円直径はスペーサを設けて撚り合わせたコアに外接する円の直径である。
【００１５】
上記条件［ 1 ］は、コアの縮み分を吸収するために必要な条件である。ただし、必要弛み量の全部を吸収させるか一部を吸収させるかは、設計により適宜選択すれば良い。また、上記条件［ 2 ］は、断熱管を加工する際に、コアが断熱管内面に接触して損傷しないために必要な条件である。断熱管の内径Bは、公差を考慮して最小内径とすることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明製造方法の説明に先だって、同方法により得られる超電導ケーブルの構成を図１に基づいて説明する。このケーブルは、断熱管1内に収納された３心のケーブルコア2を具える。断熱管1は、外管3と内管4との間にスーパーインシュレーション（図示せず）などの断熱材を配置し、両管3、4の間を真空引きして構成される。各ケーブルコアは、熱収縮分を吸収できる程度の弛みを持って撚り合わされている。外管3と内管4とはいずれもコルゲート管とした。また、ケーブルコア2は中心から順に、フォーマ5、超電導導体6、絶縁層7、遮蔽層8を具えている。また、遮蔽層８の外側に保護層（図示せず）を設けても良い。本例ではフォーマ5を中空体にしたので、フォーマ5の内部および内管4と各ケーブルコア2との間に形成される空間がそれぞれ冷媒流路となる。フォーマが中実体の場合には、内管4とケーブルコア2の間に形成される空間が冷媒流路となる。超電導導体6には、Y系、Bi系などの酸化物超電導体が好適である。絶縁層7の一例としては、冷媒が含浸された紙テープや紙テープとプラスチックテープの複合紙を巻回したものが挙げられる。そして、冷媒には、液体窒素や液体ヘリウム等が利用できる。
【００１７】
３芯のコアの撚り合わせに弛みを設けるには、ケーブルコアを製作した後、次に示す方法によりケーブルの製造を行う。
【００１８】
まず、3芯撚り合わせ時にコア間にスペーサを挿入する。このスペーサの挿入は、図２に示すように、コアの撚り合せ時のガイドとなる目板10に矩形のスリット11を設け、このスリット11にテープ状のスペーサ12を通しながら行うことで実現できる。その結果、図３に示すように、各コア2の間にスペーサ12が挟み込まれ、撚り溝からスペーサ12の側面が露出する状態の３芯コアが得られる。
【００１９】
次に、このスペーサ付き３芯コアを断熱管の内管に収納する。一般に、内管は、図４に示すように、撚り合わせたコア2の外周を金属板20（例えばステンレス）で被覆し、この金属板20の継目を順次溶接機21で溶接しながら形成される。この段階では、内管はコルゲート管ではなく直線パイプ状である。続いて、この内管はコルゲータ 22に導入され、波付け加工されてからドラム23に巻き取られる。そこで、この溶接機21に導入される前にスペーサを除去する。
【００２０】
スペーサの除去は、撚り合わせたコアの撚り溝の間から引き出すことで容易に行える。例えば、溶接機への導入の際には、予め撚り合わせたコアの端部がばらけないように端末処理しておき、各スペーサの端部はコアの間より引き出しておく。スペーサは単にコアの間に挟まれているだけなので、人力により容易に端部を引き出すことができる。そして、製造ラインの側方に引出したスペーサを巻き取るなどすれば良い。
【００２１】
このような製造工程により、スペーサの厚みに相当する弛みを維持したままコルゲート内管内に３芯コアを収納できる。この弛みはコルゲート内管の加工時はもちろん、ケーブル組立後にまで維持される。
【００２２】
（試算例）
実際にどの程度の厚さのスペーサを用いれば良いかを試算してみる。ここでは、内径150mmの管路に収納できるように、外径135〜136mmの超電導ケーブルを前提とし、この超電導ケーブルの断熱管（内管）内に3芯の撚り合わせコアを収納する場合について説明する。
【００２３】
本例では、コアの外径：D＝39.5mm、コルゲート内管の内径：B=φ93mm、コアの撚りピッチ：1000mmとした。なお、コルゲート内管の内径は、規格値は95mmであるが、＋0mm,−2mmの公差を考慮して、最小内径である93mmとした。
【００２４】
＜スペーサ厚の考え方＞
前述したように、ケーブル構成材料である金属は約0.3％収縮する。そこで、必要弛み量A0を0.3％とし、今回の試算では必要弛み量A0を100％吸収することを考える。ケーブル組立後、コアに0.3％の弛みを持たせるためには、コルゲート内管製作時にできるだけ大きな弛みを持たせることが望ましく、スペーサの厚みを極力大きくすることが考えられる。
【００２５】
一方、スペーサの厚みを大きくし過ぎると、ケーブルコアの製造時に3芯撚り形状が崩れやすくなる。また、内管に収納できるコアの外径であることはもちろんのこと、内管製造時に内管の溶接不良が生じたり、コアを損傷することのないように、と言う製造上の制約を考慮する必要がある。
【００２６】
これらの検討結果から、撚り合わせたコアを損傷することなく内管内に収納でき、約0.4％の設計弛み量が得られることを目標としてスペーサの厚さを試算する。
【００２７】
＜試算手順＞
設計弛み量A1は、スペーサを設けたコアの１ピッチの長さをL1、スペーサを設けないコアの１ピッチの長さをL2としたとき、数式１で表される。
A1={（L1/L2）−1}×100 … 数式１
【００２８】
そこで、0.3%≦A1で、かつスペーサを設けた３芯コアに外接する包絡円の直径≦93mmとなるようにｔを求める。
【００２９】
L1、L2の長さは次のように求めることができる。図５は、直径Dのケーブルコア2を3芯撚り合わせ、各ケーブルコアの間に厚さｔのテープ状スペーサ12を挟みこんだ場合の断面図である。
【００３０】
この図から明らかなように、スペーサを設けた場合の３芯コアに外接する包絡円の中心から各コアの中心までの距離r1は数式２より求められる。
【００３１】
【数１】

【００３２】
また、スペーサを設けない場合（図示していない）の３芯コアに外接する包絡円の中心から各コアの中心までの距離r2は数式３より求められる。
【００３３】
【数２】

【００３４】
一般に、撚り合わせた３芯コアの１ピッチ当たりの長さLは、３芯コアに外接する包絡円の中心から各コアの中心までをrとすると数式４で表される。
【００３５】
【数３】

【００３６】
従って、rにr1またはr2を代入すると、L1とL2は数式5、6で表わされる。
【００３７】
【数４】

【００３８】
一方、スペーサを設けた３芯コアに外接する包絡円の直径は数式７で表されるので、これらの数式1,5,6,7から0.3%≦A1で、かつスペーサを設けた３芯コアに外接する包絡円の直径≦93mmとなるｔを選択すれば良い。
【００３９】
【数５】

【００４０】
＜試算結果＞
以上の試算手順に基づいて試算を行い、スペーサの厚みと設計弛み量の関係、並びにスペーサの厚みとスペーサを設けた３芯コアに外接する包絡円の直径との関係を図６のグラフに示した。
【００４１】
3芯コアの撚り合せの弛みをできるだけ多く有し、コルゲート内管製造時にコアへのダメージを生じさせないスペーサ厚を検討した結果、設計弛み量約0.4％に対応させるには7mm厚のスペーサを適用すれば良いことがわかった。
【００４２】
なお、以上の試算例では３芯コアの場合について説明したが、コアの芯数が３芯以外の場合でも試算例と同様の考え方によりスペーサの厚みを決定すれば良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明超電導ケーブルの製造方法によれば、コア間にスペーサを一時的に介在させることで、熱収縮分を吸収する弛みを持たせた状態で断熱管内にコアを収納することができる。そのため、ケーブルコアに他の部材を複合することなく熱収縮を吸収できる超電導ケーブルを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超電導ケーブルの断面図である。
【図２】本発明方法におけるコアの撚り合せ工程の説明図である。
【図３】本発明方法において、コア間にスペーサを挟み込んだ状態の３芯コアを示す側面図である。
【図４】コアを内管に収納する工程の説明図である。
【図５】スペーサを挟み込んだ３芯コアの断面図である。
【図６】スペーサの厚みと設計弛み量の関係、並びにスペーサの厚みとスペーサを設けた３芯コアの外接する包絡円の直径との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 断熱管
２ ケーブルコア
３ 外管
４ 内管
５ フォーマ
６ 超電導導体
７ 絶縁層
８ 遮蔽層
10 目板
11 スリット
12 スペーサ
20 金属板
21 溶接機
22 コルゲータ
23 ドラム

Claims (2)

1. 複数芯のコアの撚り合わせ時に各コア間のそれぞれにスペーサを設ける工程と、
   この撚り合わせたコアを断熱管内に収納する前に撚り合わせたコアの撚り溝の間からスペーサを引き出すことで取り除き、撚りを弛ませた状態で断熱管内にコアを収納する工程とを具えることを特徴とする超電導ケーブルの製造方法。
2. スペーサの厚さが以下の条件を満足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の製造方法。
   ［ 1 ］必要弛み量A0≦設計弛み量A1
   ただし、必要弛み量A0は熱収縮によるコアの収縮率、設計弛み量A1はスペーサを設けたコアの１ピッチの長さをL1、スペーサを設けないコアの１ピッチの長さをL2としたとき、{（L1/L2）−1}×100で表される。
   ［ 2 ］包絡円直径≦断熱管内径B
   ただし、包絡円直径はスペーサを設けて撚り合わせたコアに外接する円の直径である。

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