JP4505775B2

JP4505775B2 - 超電導ケーブル及び超電導ケーブル用スペーサ

Info

Publication number: JP4505775B2
Application number: JP2001009565A
Authority: JP
Inventors: 正幸廣瀬
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: JP2002216552A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導ケーブルと、それに最適なケーブル用スペーサに関するものである。特に、３芯の超電導ケーブルコアの熱収縮を撚り合せの弛みにより吸収できる超電導ケーブル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、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号公報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に複合する介在物として、ケーブルコアの収縮を吸収できるような大きい熱収縮率を有する材料を選択しなければならなず、この材料選択が困難であるという問題があった。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、ケーブルコアに複合する介在物材料自体の熱収縮率に関わらずケーブルコアの熱収縮を吸収することができる超電導ケーブルと、それに最適なスペーサと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、３芯のコアの中心にスペーサを介在し、スペーサの構成材料自体の収縮に加えて、スペーサの形態を変化させ、冷却時の縮径程度を大きくす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は、スペーサと、スペーサを中心として、その外周に撚り合わされた3芯の超電導ケーブルコアとを具え、前記スペーサは、冷却時の直径の熱収縮量がスペーサの構成材料自体の熱収縮量よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
特開平9-134620号公報は、介在物（スペーサ）に必要とされる熱収縮量について試算例を示している。これによれば、介在物を常温から液体窒素温度に冷却した際の熱収縮量は約60％となっている。このような大きな熱収縮量を有する材料の選択は、非常に困難である。
【０００９】
本発明では、スペーサの構成材料自体の収縮に伴ってスペーサの形態を変化させ、この形態変化分をも利用することで、スペーサの直径を大きく縮小させている。スペーサの直径を冷却時に大幅に小さくできれば、３芯ケーブルコアの冷却に伴う熱収縮量を吸収して、ケーブルコアの超電導導体に機械的外圧が作用することを防止できる。このスペーサの径変化は、冷却すれば小さくなり、常温に戻せば大きくなる可逆的変化であることが好ましい。
【００１０】
上記の作用を実現する構成としては、常温時に間隔を持って配置された複数の部材でスペーサを構成し、冷却時におけるスペーサの構成材料自体の熱収縮に伴って各部材間の配置を変化させてスペーサの直径を縮小するものが挙げられる。特に、複数の素線を断面が円形の仮想長尺体の外周に撚り合せた状態に配置した中空体で、前記各素線は常温時に互いに間隔を持って配置されたスペーサが好ましい。
【００１１】
このように複数の素線をコイル状により合わせ、隣接する素線間に間隔を設けることで、冷却時、撚りが締まって素線の間隔が狭くなる。これにより、素線材料自体の熱収縮量に加えて、コイル自体の形状変形をも利用して、常温時よりも大幅に直径を小さくすることができる。
【００１２】
素線の撚りピッチは、冷却時にスペーサの径変化を大きくできるよう、常温時のスペーサの直径に対して十分大きく採ることが好ましい。例えば、素線の撚りピッチは常温時のスペーサの直径の20倍以上程度が好適である。ただし、ピッチが大きすぎるとスペーサは外周からの圧縮に弱く、変形しやすくなるので、これらの要素を考慮してコアの熱収縮量を吸収できる極力短い素線ピッチを選択すれば良い。また、コイル状に形成したスペーサは、その両端で各素線を固定しておくことで長手方向の移動を抑制し、冷却時に大きな径変化を与えることができる。
【００１３】
コイル状に形成した各素線の同士の間隔は、冷却時にケーブルコアの熱収縮量を吸収できる程度に大きな径変化が得られる値を選択する。
【００１４】
素線の本数や間隔ｔは、コアの熱収縮量を考慮して適宜選択すれば良い。すなわち、冷却時、コアが熱収縮して撚りが締まった状態になったとき、スペーサの撚りも同様に締まって隣接する素線の間隔が閉じられる程度となるように本数や間隔ｔを選択する。
【００１５】
前記素線の撚り合わせは、仮想長尺体の外周に単層に行っても多層に行ってもいずれでも良い。多層に撚り合わせを行えば、スペーサの形状維持が行いやすい。特に、多層にした場合、隣接する層の撚りピッチが互いに異なるように構成すれば、一層保形効果に優れる。また、隣接する層の撚りピッチが同じで撚り方向を逆としても同様の保形効果が得られる。
【００１６】
上記のスペーサは、その形状を維持するために、次のような保形手段を設けることが好ましい。保形手段の設け方には、スペーサの内周から支持するものと、外周から支持するものがある。これらの少なくとも一方を設ければ素線のばらけ防止に効果的である。
【００１７】
▲１▼スペーサの外周にテープ状の押え巻きを設ける。
押え巻きのテープは、編組構造のものを用いることで、スペーサの径変化に追従しやすくできる。この押さえ巻きは、スペーサ製造後に巻き付けられ、スペーサの周囲に３芯コアを撚り合わせた後にも取り外すことなく残存される。また、テープ自体は、液体窒素中で割れたりせず、かつコアの撚りが熱収縮したときにコアに押されてスペーサの縮径を妨げることなくテープ自体も押し潰される程度の変形能を有する材料が好ましい。例えば、プラスチックテープ、金属線の編組体、布、紙などが挙げられる。
【００１８】
▲２▼スペーサの内周に、スペーサの内径よりも小さい外径の芯材を設ける。
この芯材は、液体窒素中で割れたりしない材料を用いる。例えば、金属、プラスチックなどが挙げられる。芯材の外径は冷却後のスペーサの内径よりも小さいものが好適である。これにより、スペーサの素線がばらけることを防止し、３芯コアの撚りが冷却により締まった場合でもスペーサの縮径を妨げることがない。これにより、芯材はスペーサの外周に３芯コアを撚り合わせた後も除去することなく残存させることができる。
【００１９】
スペーサの材料は、気体、液体、固体のいずれの適用も考えられるが、固体材料のみからなるものが好適である。特開平9-134620号公報の発明では、介在物材料として常温時は気体で、冷却時に液化または固化するガスを例示している。しかし、気体や液体は漏れることなく封入するための構成が必要となるため、固体材料のみからなるものが好ましい。
【００２０】
固体材料の具体例としては、液体窒素などの冷媒中に浸漬されても支障のない金属やプラスチックが挙げられる。
【００２１】
スペーサの製造方法は、何らかの中芯に複数の素線を間隔を設けて巻き付けることが好ましい。中芯は、素線をコイル状に巻き付けるときのみ用い、コイル状に成形後は除去される。スペーサから中芯のみを除去する方法としては、燃焼や、加熱または薬品による溶解が挙げられる。その他、ばね成形機のように棒状体を中芯として素線を巻き付けてコイル状に線癖をつけることが挙げられる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
図１は本発明超電導ケーブルの常温時の断面図、図２は同冷却時の断面図である。
【００２３】
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。本例では、断熱管１を二重管構造としたが、断熱管の構造が二重管に限定されるわけではない。
【００２４】
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。フォーマ5が中空の場合、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冷媒流路となり、フォーマ5が中実の場合、内管4と各ケーブルコア2と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。冷媒には、液体窒素や液体ヘリウム等が利用できる。
【００２５】
そして、前記３芯コアの中心にスペーサ10が配置されている。このスペーサ10は後述するように、冷却時、コアの撚りが締まることに対応してスペーサ10の外径を大幅に縮小できる構成となっている。すなわち、図1に示すように、常温時のスペーサ10は各コアに十分な隙間を設け、スペーサ10を除去した状態を仮想すると、コアの撚りに弛みを持たせた状態を維持している。この弛みは、冷却時にコアの撚りが締まることで熱収縮分を吸収できる程度とする。一方、冷却時のスペーサ10は径を縮小して各コア間の隙間を狭く或いは無くさせる。
【００２６】
図３は、本発明スペーサの常温時と冷却時の形状変化を示す説明図である。このスペーサ10は複数の素線11を仮想長尺体の上に螺旋状に巻き付けたコイル形状をしている。常温時、スペーサの直径d1は大きく、素線同士の間には間隔ｔが設けられた状態にある。
【００２７】
このスペーサ10が冷却されると、各素線11自体が収縮して撚りが締まる。その結果、前記間隔が狭められ、スペーサの直径は大幅に小さくなる。その結果、冷却時、コアの撚りが締まることにスペーサ10の直径d2も小さくでき、コアの熱収縮を吸収して超電導導体に応力が作用することを防止する。
【００２８】
（実施例２）
上記のようなスペーサの外周に金属線で編組されたテープを巻き付けた。これにより、スペーサの各素線のばらけを抑えることができる。押え巻きのテープは、編組構造のものを用い、スペーサの径変に追従しやすくした。この押さえ巻きは、スペーサ製造後に巻き付けられ、スペーサの周囲に３芯コアを撚り合わせた後にも取り外すことなく残存される。冷却によりコアの撚りが熱収縮したとき、コアに押されてテープ自体も容易に変形し、スペーサの縮径を妨げることがない。
【００２９】
（実施例３）
(2)スペーサの内周に、スペーサの内径よりも小さい外径の芯材を設けた。ここでは冷却前の直径が約14mm，冷却後の直径が約6mmとなるスペーサに対して、直径5mmの金属線を芯材として用いた。これにより、スペーサの各素線はばらけることはなかった。また、芯材の直径は冷却後のスペーサの直径よりも小さいため、芯材はスペーサが縮径する際の妨げにはならない。
【００３０】
（実施例４）
実施例１のスペーサの外周に複数の素線を螺旋状に巻きつけ、合計２層の素線からなるスペーサを作製した。このとき、内層の素線と外層の素線のピッチを逆にした。この構成により、内層の素線に対しては外層の素線がばらけ防止となり、外層の素線に対しては内層の素線がばらけ防止となる。
【００３１】
（試算例）
どのような形態のスペーサを用いれば、冷却前後でどのていどの径変化が可能かを試算した。
【００３２】
冷却時に0.3％収縮する金属材料で直径14mmのコイル状スペーサを作った場合、素線のピッチを300mmとすると次のようになる。
【００３３】
収縮前の1ピッチの素線長をL1、収縮後の1ピッチの素線長をL2とする。
その場合、L2＝L1×0.997となる。また、L1は√{300²＋(14π)²}で表される。さらに、収縮後のスペーサの直径をXとすると、
L2＝0.997×√{300²＋(14π)²}＝√{300²＋(Xπ)²}
となる。
この式よりXを求めると、X=11.84となり、約15％直径が縮小されることがわかる。
【００３４】
また、ピッチを500mmとして同様の試算を行った。その場合のXは6.6mmであり、収縮前からみれば約半分の直径に収縮できていることがわかる。
【００３５】
さらに、冷却時に0.3％収縮するプラスチック材料でスペーサを構成し、ピッチを200mmとした場合についても同様の試算を行った。その結果、Xは5.3mmとなり、冷却前の直径を半分以下にまで縮小できることがわかる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、3芯の撚り合わせた超電導ケーブルコアの中心にスペーサを設け、このスペーサを、冷却時の直径の熱収縮量がスペーサの構成材料自体の熱収縮量よりも大きい構成とすることで冷却時に大幅に直径を縮小でき、コアの熱収縮量を、コアの撚り合わせの締まりにより吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明超電導ケーブルの常温時の断面図である。
【図２】本発明超電導ケーブルの冷却時の断面図である。
【図３】本発明スペーサの常温時と冷却時の形状変化を示す説明図である。
【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 スペーサ
11 素線

Claims

スペーサと、
スペーサを中心として、その外周に撚り合わされた3芯の超電導ケーブルコアとを具える超電導ケーブルであって、
前記スペーサは、
複数の素線を断面が円形の仮想長尺体の外周に撚り合せた状態に配置した中空体で、
前記各素線は常温時に互いに間隔を持って配置され、
冷却時の直径の熱収縮量がスペーサの構成材料自体の熱収縮量よりも大きいことを特徴とする超電導ケーブル。
さらに、スペーサの外周にテープ状の押え巻きを具えることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル。
さらに、スペーサの内周に、冷却後のスペーサの内径よりも小さい外径の芯材を具えることを特徴とする請求項１又は２に記載の超電導ケーブル。
前記素線は仮想長尺体の外周に多層に撚り合わされ、
隣接する層の撚りピッチを互いに異ならせる又は隣接する層の撚りピッチは同じで撚り方向を逆にすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
撚り合わされた3芯の超電導ケーブルコアの中心に介在される超電導ケーブル用スペーサであって、
複数の素線を断面が円形の仮想長尺体の外周に撚り合せた状態に配置した中空体で、
前記各素線は常温時に互いに間隔を持って配置され、
冷却時の直径の熱収縮量がスペーサの構成材料自体の熱収縮量よりも大きいことを特徴とする超電導ケーブル用スペーサ。
さらに、スペーサの外周にテープ状の押え巻きを具えることを特徴とする請求項５に記載の超電導ケーブル用スペーサ。
さらに、スペーサの内周に、冷却後のスペーサの内径よりも小さい外径の芯材を具えることを特徴とする請求項５又は６に記載の超電導ケーブル用スペーサ。
前記素線は仮想長尺体の外周に多層に撚り合わされ、
隣接する層の撚りピッチを互いに異ならせる又は隣接する層の撚りピッチは同じで撚り方向を逆にすることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の超電導ケーブル用スペーサ。