JP4432006B2

JP4432006B2 - 超電導ケーブルの終端接続部における端末用電流リード

Info

Publication number: JP4432006B2
Application number: JP31530299A
Authority: JP
Inventors: 真原田; 正幸廣瀬; 光義吉田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: JP2001135164A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温機器用電流リードに関するものである。特に、超電導ケーブルの終端接続部における端末用電流リードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超電導ケーブルの終端接続部としては、図６に示すものが知られている。この接続部は、超電導ケーブル20の導体22を、電流リード21を介して極低温側から常温側に引き出す。
【０００３】
液体窒素などの冷媒で冷却されている超電導ケーブル20の導体22は、套管23を貫通し、電流リード21へと接続されている。超電導ケーブル20の導体22としては、フォーマの外周にテープ状の超電導線材を多層に巻きつけたものが用いられ、これら全層は一括して電流リード21へと接続されている。電流リード21は、全長にわたって同径であり、同種の材料（銅）で形成されている。超電導導体22の端部および電流リード21の一端側は、冷媒液槽24内の冷媒25（液体窒素など）に浸漬され、電流リード21の他端側は、冷媒液槽24上部のヘリウムガスなどの冷媒ガス26内を経て、ＳＦ_６や絶縁油などの絶縁体27が充填された碍管28内に導入される。電流リード21には、冷媒25中から碍管28の下部付近までエチレンプロピレンゴムなどによる絶縁被覆層29が施されており、さらに絶縁被覆層29の両端部付近にはストレスコーン30・31が装着されている。なお、冷媒液槽24は断熱層32に囲まれ、冷媒液槽24内の冷媒25は、冷凍機33で冷却される。
【０００４】
上記のように、超電導ケーブルの終端接続部は、極低温下にある導体22を常温下に引き出すため、極めて温度範囲の広い環境下にある。従って、ＳＦ_６や絶縁油などの絶縁体27は、電流リード21を通じて極低温側の冷媒に熱を奪われるため、固体化または液化して絶縁強度が低下する恐れがある。そのため、熱侵入量を小さくする技術として特開平8-196032号公報開示の発明がある。
【０００５】
図７は、上記の発明の概略図で、超電導ケーブルの終端接続部の常温側付近を拡大したものである。この発明は、電流リード21を全長にわたって同種の材料（銅）によって構成したもので、常温側21aの外径と極低温側21bの外径とが異なることを特徴とする。即ち、図７に示すように冷媒ガス層35における電流リードの極低温側21bの外径を、端部絶縁層34における常温側21aの外径よりも小さくした構成である。この構成により、電流リードの常温側21aと極低温側21bとの接触面積は小さくなり、熱侵入量を小さくすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成により熱侵入量は小さくできるが、例えば電流容量が1000Ａ以上の場合、電流リードの極低温側においてある程度の外径を有しなければ、断面積が小さくなるため抵抗が大きくなって発熱し易くなり、ジュール損が大きくなる。一方、電流リードの極低温側の外径を大きくすると断面積が大きくなって接触面積が増すため熱侵入量が多くなるので、上記絶縁強度が問題となる。
また、上記技術では、電流リードの外径が異なるため常温側と極低温側との境界付近に段差が生じ、電流リードの外表面に施す絶縁被覆層が押出しによって形成できず、作業性が悪い。
【０００７】
そこで、本発明は、熱侵入量とジュール損との合計熱量を減少でき、かつ絶縁被覆の作業効率のよい極低温機器用電流リードを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷媒液層・冷媒ガス層及び端部絶縁層を経て極低温側から常温側に引き出される極低温機器用電流リードにおいて、以下を特徴とする。
【０００９】
電流リードの常温側と極低温側とは、異種の材料ＡとＢとで形成される。ここで、極低温側から常温側までを材料Ａで形成した基準電流リードにおける熱侵入量とジュール損との合計熱量をW１とする。一方、常温側を材料Ａで、極低温側を材料Ｂで形成され、かつ基準電流リードと同一断面積を有する電流リードにおける熱侵入量とジュール損との合計熱量をW２とする。このとき、材料ＡとＢとは、「W１＞W２」が成立する。即ち、特開平8-196032号公報開示の発明では、常温側の外径と極低温側の外径とを変えることで熱侵入量の低減のみを可能とした。しかし、本発明では、常温側と極低温側とを異種の材料ＡとＢとで形成することによって、電流リードの極低温側の外径が常温側と等しくても熱侵入量とジュール損との合計熱量W２を同種材料Ａによる基準電流リードの合計熱量W１と比較して小さくできる。
【００１０】
極低温側の電流リードの材料Ｂは、常温側の材料Ａよりも同一温度における熱伝導係数が小さいことが望ましい。熱伝導係数が小さいことより、熱侵入量を減少させることができる。また、電流リードの常温側・極低温側は、抵抗率が小さい材料により構成されることが望ましい。抵抗率が小さいことでジュール損を小さくできる。
【００１１】
更に、電流リードの常温側の材料Ａは、抵抗率が小さい銅、極低温側の材料Ｂは、熱伝導係数が小さいアルミニウムであることが望ましい。なお、極低温度領域、例えば‐196℃（77Ｋ）において、銅の抵抗率は0.20×10^８Ω・ｍであり、アルミニウムの抵抗率は0.21×10^８Ω・ｍであって銅のそれと殆ど変わらず小さいので、ジュール損が小さい。また、これらの熱伝導係数は、０℃において銅が403W/m・kでアルミニウム（236W/m・k）に比べて２倍程度大きい。従って、これらの金属の組み合わせから成る電流リードは、熱侵入量も小さくすることができる。
上記により本発明は、基準電流リードを含む従来の電流リードと比較して熱侵入量とジュール損との合計熱量を低減することが可能である。
【００１２】
ここで、本発明において、銅とは、銅合金を含むものであり、またアルミニウムとは、アルミニウム合金を含むものである。
【００１３】
上記２種類の金属から構成される電流リードの外径は、その外表面に絶縁被覆層を押出しによって形成できるよう長手方向に一様であることが好ましい。このとき、電流リードは中実でも中空でもよい。中空の電流リードは、円筒形状でも良いが、電流リードの内部に一定の距離の空隙を設けるてもよい。特に、電流リードの極低温側おいては、熱侵入量を低減させるために上記空隙を有することが好ましい。また、上記空隙は、通電率を低下させない程度に厚みを有することが望ましい。なお、空隙の形状は特に問わない。更に、中実の電流リードにおいては、断面積を長手方向に一様にすることが好ましい。
【００１４】
本発明は、極低温側から常温側へ導体の引き出しを行うあらゆる箇所に適用できる。例えば、超電導ケーブルのみならず、短絡故障電流を遮断器の遮断容量以下に抑えるための超電導電力機器である限流器や超電導エネルギー貯蔵装置であるＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy storage）などの使用に適する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明極低温機器用電流リードの終端接続部の全体的構成は、図６で説明したものと同様である。また、本発明極低温機器用電流リードの常温側付近の基本的構成は、図７で説明したものと同様である。主な相違点は、図1に示すように電流リードの常温側1aと極低温側1bとは、同程度の抵抗率を有し、極低温側1bを常温側1aよりも同一温度において熱伝導係数が小さい材料で形成したことにある。また、上記二種の材料からなる電流リード１の外径を長手方向に均一にしたことにある。
【００１６】
本発明極低温機器用電流リードの常温側付近を図１に拡大して示す。超電導ケーブルの導体を、電流リード１を介して冷媒液層４から冷媒ガス層３を通り、碍管５内に絶縁体を収納する端部絶縁層２を経て極低温側から常温側に引き出す。この電流リード1の外表面には、碍管５の下部付近から冷媒液層４中まで繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）・エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）・エポキシ樹脂などによる絶縁被覆層６が施されている。なお、８は絶縁体充填口、９はガス出口、10は液入口である。
【００１７】
ここで、冷媒ガス層３と端部絶縁層２との間には、中間フランジ７が用いられており、本例では、このフランジ７を境として、電流リード1a・1bの材料が異なっている。即ち、断熱層11に覆われた電流リードの極低温側1bは、常温側1aと比較して熱伝導係数が小さく、抵抗率が同程度の材料を用いている。このとき、常温側1a・極低温側1bの境界は、端部絶縁層２と冷媒ガス層３との境（ここでは中間フランジ７）に限定されるものではなく、絶縁強度に問題のない範囲において適宜移動させてもよい。
【００１８】
図３は、銅とアルミニウムとにおける温度と体積抵抗率との関係を表すグラフである。図３に示すように、極低温下、例えば冷媒用の液体窒素の使用温度である77Ｋ程度では、アルミニウムの抵抗率と銅の抵抗率とが殆ど変わらない。従って、上記電流リードは、常温側を銅で、極低温側をアルミニウムで形成することが適する。
図４は、銅における温度と熱伝導係数との関係を表すグラフであり、図５は、アルミニウムにおける温度と熱伝導係数との関係を表すグラフである。これらのグラフの曲線上方に示す数値（RRR-3000など）は、不純物の含有量の違いを表している。図４・５に示すように同一温度において熱伝導係数は、銅の方が大きい。例えば、RRR-3000では、10Ｋにおいて銅が約50,000W/ｍＫであるのに対し、アルミニウムは、約27,000W/ｍＫである。これら図４・５により、4.2Ｋ程度では不純物の含有量によって熱伝導係数が異なるが、冷媒用の液体窒素の使用温度である77Ｋ程度では、不純物の含有量に係らず銅・アルミニウム共にほぼ一定である。
従って、常温側を銅で、極低温側をアルミニウムで形成された電流リードは、常温側・極低温側が共に銅で形成された電流リードと比較して、熱侵入量とジュール損との合計熱量を低減することができる。
【００１９】
（実施例）
本発明実施例と、従来からの常温側・極低温側が共に銅で同径である比較例１及び特開平8-196032号公報開示の発明に相当する比較例２とを用いて、熱侵入量とジュール損との合計熱量を比較してみた。なお、比較は、電流リードの常温側における長手方向の断面積が等しいもの同士について行った。
【００２０】
実施例１・２は、全長に渡って長手方向の断面積が等しい中実の電流リードで、図２(A)に示す電流リードの常温側1aと極低温側1bとを異種の材料で形成し組み合わせた構成である。
また、比較例１は、図２(B)に示すように実施例と同様に全長に渡って長手方向の断面積が等しい中実の電流リードであり、かつ同種の材料で形成している。比較例２は、比較例１と同様に全長にわたって同種の材料で形成した中実の電流リードで、図２(C)に示すように電流リードの常温側1cの断面積と極低温側1dの断面積とが異なる構成である。
なお、図２(A)〜(C)は、比較のために形成した金属棒を表している。
【００２１】
以下、電流リードの断面積と材料とを示す。
（実施例１）
断面積／600mm^２
材料／常温側：銅極低温側：アルミニウム
全長L_１／200cm L_２／160cm L_３／130cm L_４／20cm
（実施例２）
断面積／500mm^２
材料／常温側：銅極低温側：アルミニウム
全長L_１／200cm L_２／160cm L_３／50cm L_４／20cm
（比較例１）
断面積／600mm^２
材料／常温側・極低温側：銅
全長L_１／200cm L_２／160cm L_４／20cm
（比較例２）
断面積／常温側：500mm^２極低温側：325mm^２
材料／常温側・極低温側：銅
全長L_１／200cm L_２／160cm L_３／50cm L_４／20cm
なお、L_２は、電流リードにおいてＦＰＲやＥＰＲなどの絶縁体が被覆されている範囲を表す。また、L_３は、常温側と極低温側との境界から冷媒液層面Ｓまでの長さを表し、L_４は、電流リードにおける冷媒液浸漬長である。このとき、電流リードは、上記絶縁体の被覆により外部からの熱侵入量が極めて少なくなるので、合計熱量の計算において外部からの熱は無視している。なお、電流リードは、1000Ａ通電用である。
【００２２】
実施例１と比較例１との比較の結果、比較例１における電流リードの熱侵入量とジュール損との合計熱量W１は48.5Wであるのに対し、実施例１の電流リードにおける熱侵入量とジュール損との合計熱量W２は41.9Wであった。従って、実施例１の合計熱量W２は、比較例１よりも小さかった。なお、本例において、全長が200cmの場合、常温側（銅）が50cm、極低温側（アルミニウム）が150cmのとき、最も合計熱量を少なくすることができた。
また、実施例２と比較例２とでは、比較例２における合計熱量W１は49Wであるのに対し、実施例２の合計熱量W２は45Wであった。従って、実施例１と同様に実施例２の合計熱量W２の方が、比較例２よりも小さかった。
【００２３】
なお、実施例において電流リードは、断面積が等しいのでその外周に施す絶縁被覆層が押出しにより形成することができた。
【００２４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明極低温機器用電流リードは、同種の材料で形成された、長手方向における断面積が一様な基準電流リード及び極低温側の断面積が常温側よりも小さい電流リードと比較して、熱侵入量とジュール損との合計熱量が小さいという優れた効果を奏し得る。また、電流リードの常温側の外径と、極低温側の外径とを等しくしたことで、電流リードの外表面に被覆する絶縁被覆層が押出しによる形成が可能であり、作業性がよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明極低温機器用電流リードの概略図である。
【図２】 (A)は、本発明の実施例における電流リードの模試図、（B）・(c)は、それぞれ比較例１・２における電流リードの模試図である。
【図３】銅とアルミニウムとにおける温度と体積抵抗率との関係を表すグラフである。
【図４】銅における温度と熱伝導係数との関係を表すグラフである。
【図５】アルミニウムにおける温度と熱伝導係数との関係を表すグラフである。
【図６】超電導ケーブルの終端接続部の概略図である。
【図７】従来の極低温機器用電流リードの概略図である。
【符号の説明】
１・1a・1b・1c・1d、21・21a・21b 電流リード２、34 端部絶縁層
３、35 冷媒ガス層４、24 冷媒液層５、28 碍管６、29 絶縁被覆層
７フランジ８絶縁体充填口９ガス出口 10 液入口 11断熱層
20 超電導ケーブル 22 超電導導体 23 套管 25 冷媒 26 冷媒ガス
27 絶縁体 30・31 ストレスコーン 32 断熱層 33 冷凍機
L_１電流リードの全長
L_２絶縁体が被覆されている範囲
L_３常温側と極低温側との境界面から冷媒液層面Ｓまでの距離
L_４電流リードにおける冷媒液浸漬長
Ｓ冷媒液層面

Claims

超電導ケーブルの終端接続部における極低温側から常温側に引き出される端末用電流リードにおいて、
極低温側から常温側までを銅で形成した基準電流リードにおける熱侵入量とジュール損との合計熱量をW１とし、
常温側を銅で、極低温側をアルミニウムで形成され、かつ前記基準電流リードと同一断面積の電流リードにおける熱侵入量とジュール損との合計熱量をW２としたとき、
前記W１とW２とは以下の式を満たすことを特徴とする超電導ケーブルの終端接続部における端末用電流リード。
W１＞W２
電流リードの外径は、長手方向に一様であることを特徴とする請求項１記載の超電導ケーブルの終端接続部における端末用電流リード。
電流リードの断面積は、長手方向に一様であることを特徴とする請求項１記載の超電導ケーブルの終端接続部における端末用電流リード。