JP4615207B2 - 超電導ケーブル用断熱管 - Google Patents

Description

電力送電用の超電導電力ケーブル、超電導電力貯蔵装置、並びに核融合炉などで使用する大型超電導マグネットに電力を供給する超電導バスラインなどへの冷媒の導入や超電導状態の維持に使用する断熱管に関する。

超電導ケーブルを用いた電力の送電は、超電導ケーブルが超電導状態となる温度（例えば、液体ヘリウム温度や液体窒素温度）に冷却・維持する必要がある。これらの冷却・維持は超電導ケーブルが収納される断熱管の中で、そのケーブルに沿って循環する低温液化ガスによって行われるが、効率的且つ経済的な電力送電を行うためには、上記断熱管は外部からの熱の侵入を防ぐ断熱構造、即ち、図６に示す２本の可撓性のある同軸管（一般にコルゲート管と呼ばれる波型横断面を有する金属製の管が使用される）を断熱管の内管５と外管７として、該内管５と外管７の間に断熱層６を設けた構造を有し、且つその内管５の内部は高真空にしたものが使用されている。
又、上記断熱管の内管５と外管７との間に間隔を保持するためにスペーサを用いることもある。このスペーサは、例えば、複数のポリプロビレン樹脂等からなる紐状体を断熱層の外周に螺旋状に巻き回して備わるものである。

このような断熱層を設けた低温用断熱管が特開昭５０−７１４７に開示されている。
この低温用断熱管は、厚み４〜１２μｍのポリエステルフィルムの片面或いは両面にアルミニウムを面積抵抗率１〜１０Ωとなるように蒸着した金属蒸着フィルムと、ポリエステル、ポリアミド、レーヨン、キュプラの１００デニール以下好ましくは５０デニール以下の長繊維をカラミ織り或いはメッシュ５〜３０のネットレースとを、交互に重ね合わせてなる断熱素材を用いており、この断熱素材を低温用断熱管の低温を実現しうる温度（例えば、液体ヘリウム温度）の内管と外管との間に単層若しくは複層に積層して設け、真空排気して構成されている。

特開昭５０−７１４７号公報

しかしながら、図６に示す超電導ケーブル８を収納した断熱管の場合、断熱管の内管５と外管７の直径差は、通常、１５〜３０ｍｍ程度しかなく、断熱層を配置する空間は限られている。又、内管５と外管７との間隔を保持するためスペーサを用いる場合、スペーサの太さは５〜１０ｍｍ程度であり、そのため内管５と外管７の直径差は５〜１０ｍｍとなる。従って、断熱層６を配置する間隔は更に狭くなり、断熱層６が十分に配置されないことになり、断熱管に要求される断熱特性が得られず、その結果、断熱管周囲から超電導ケーブルへの熱の侵入を防ぎ切れず、超電導状態が破れてしまうという問題が生じた。

例えば、外径９０ｍｍの内管の外側に厚さ５ｍｍの断熱材を巻き付け、更にその外側に５ｍｍのスペーサを周回したものを、内径１１０ｍｍの外管に収納した超電導ケーブル用断熱管では、１ｍ当りの侵入熱は２．０〜２．４Ｗであって、超電導ケーブルに要求される断熱性能の侵入熱１Ｗ／ｍ以下を大きく越えてしまっている。

請求項１記載の発明は、冷媒を流す内管と、片面若しくは両面に金属蒸着層を備える高
分子フィルムとメッシュサイズが５〜３０番の有機材料からなるネットレースを重ね合わ
せて一体化された断熱テープを該内管の外側に螺旋状に巻き付けて積層構造とした断熱層
と、該断熱層の外側に設けられる外管とで構成される超電導ケーブル用断熱管において、
該断熱層の厚みが９ｍｍ以上、且つ、その厚み方向の層密度が２．５枚／ｍｍ以上４．５
枚／ｍｍ以下であることを特徴とする超電導ケーブル用断熱管である。

請求項２記載の発明は、前記断熱層を構成する断熱テープが、厚み２００μｍ以上４００μｍ以下のネットレースを用いることを特徴とする請求項１記載の超電導ケーブル用断熱管である。

本発明に係る断熱管を備えた超電導ケーブルで電力を送電すると、その優れた断熱性能により、確実に超電導状態を維持することができ、経済効果が極めて高い。更に、低密度の断熱テープを用いることで高価な金属蒸着フィルムの使用量を減らせることにより、断熱管の低廉化が図られる。

本発明は超電導ケーブルに要求される断熱性能を満足する断熱材積層条件を見出したことにより、その断熱性能を一層高めるものである。
図１は本発明に係わる断熱テープの構成図を表し、図２はその断面図である。
図１に示されるように断熱テープ１は、金属蒸着フィルム２とメッシュサイズが５〜３０のネットレースを重ね合わせた構造となっている。

断熱テープ１に用いられる金属蒸着フィルム２は、図２に示すように高分子フィルム２ａ、例えばポリエステル等を基材とし、その片面若しくは両面にアルミニウム等の金属蒸着層２ｂを面積抵抗率１〜１０Ωとなるように蒸着したものである。

更に、前記金属蒸着フィルム２と組み合わせられるネットレース３は、ポリエステル、ポリアミド、レーヨン若しくはキュプラなどの有機材料を使用する。このネットレース３は、厚みが２００μｍ以上４００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以上４００μｍ以下のものを用いることにより、断熱テープの密度を低くすることができ、断熱層密度の最適化を実現し、断熱層の性能を向上させる。その範囲内においてはその侵入熱を１Ｗ／ｍ以下に抑えることができる。

図３は本発明に係る断熱管の横断面図である。
断熱管４は、波状の壁面を有するステンレス製コルゲート型内管５の外周に所定の厚みと層密度になるように図１に示す構造の断熱テープ１を螺旋状に数回巻き付けて断熱層６を設け、その断熱層が巻き付けられた内管５を、コルゲート型外管７に挿入して作製される。

前記金属蒸着フィルムとネットレースからなる断熱テープを積層して設ける断熱層は、その厚みを９ｍｍ以上、厚み方向の層密度を２．５枚／ｍｍ以上、４．５枚／ｍｍ以下にすることにより、断熱層の断熱機能を効率よく利用することができ、断熱管への侵入熱を１Ｗ／ｍ以下の低いレベルに抑えることができる。
以下に本発明を実施例により説明する。

（実施例１）
図３に示す構造の断熱管を用いて、断熱層の厚み及び断熱層の厚み方向の層密度における断熱性能への影響を調査した。
断熱テープには、ポリエステルフィルムの片面に面積抵抗率１〜１０Ωになるようにアルミニウムを蒸着した金属蒸着フィルムと、ポリエステル長繊維からなるメッシュサイズ５〜３０、厚み２００μｍのネットレースを重ね合わせたものを用いた。
この断熱テープを用い、断熱層の厚みの影響を測定した。供試材として、コルゲート型内管の直径を９０ｍｍとし、その外周に幅５０ｍｍの断熱テープを層密度４．５枚／ｍｍとなるよう螺旋状に巻付け、巻付け層数を変えることで断熱層６の厚みを種々に変えたものを用いた。
断熱性能は浸入熱の大小で判定し、その測定は断熱管内部の真空度を１０ＭＰａになるまで真空ポンプで排気した後、断熱管の内管に液体窒素を導入し、その蒸発量を測定して行った。測定結果を図４に示す。
図４から判るように、断熱層の厚みが厚くなるにつれ侵入熱が減少し、厚みが９ｍｍ以上になると侵入熱を１Ｗ／ｍ以下に抑えることが判る。

次に、断熱層厚み方向の層密度の影響を測定した。結果を図５に示す。
図５に示すように、侵入熱が１Ｗ／ｍ以下となる時の層密度は２．５〜４．５枚／ｍｍであり、層密度３．４枚／ｍｍの時に侵入熱が最も小さかった。

（実施例２）
ネットレースの厚みによる影響を、その厚みを１００〜１０００μｍと変えて、浸入熱を測定した。
その結果、厚み２００〜４００μｍのネットレースを用いた場合に、断熱層の厚み方向の層密度は２．５〜４．５枚／ｍｍとなり浸入熱が小さくなった。特に、厚み３００μｍのネットレースを用いた場合に、その層密度は３．４枚／ｍｍとなり侵入熱を最も小さくした。

このように、ネットレースの厚みを変えて断熱層の厚み方向の層密度を適正化することにより、断熱効果を高めて侵入熱を減少させ、高価な金属蒸着フィルムの使用量を減らすことができるものである。例えば、厚み２００μｍのネットレースを用いた断熱テープを４０層巻付けて厚み９ｍｍの断熱層を形成した場合の侵入熱は１Ｗ／ｍであり、厚み４００μｍのネットレースを用いて２５層巻付けて９ｍｍの厚みの断熱層を形成した場合の侵入熱は０．６Ｗ／ｍであった。

本発明断熱管に用いられる断熱テープの構成図である。 本発明断熱管に用いられる断熱テープの断面図である。 本発明断熱管の横断面図である。 本発明断熱管の断熱層厚みと侵入熱の関係を示すグラフである。 本発明断熱管の断熱層の厚み方向の層密度と侵入熱の関係を示すグラフである。 従来の超電導電力ケーブルを収納した断熱管の説明図である。

符号の説明

１ 断熱テープ
２ 金属蒸着フィルム
２ａ 高分子フィルム
２ｂ 金属蒸着層
３ ネットレース
４ 断熱管
５ 内管
６ 断熱層
７ 外管
８ 超電導ケーブル

Claims (2)

1. 冷媒を流す内管と、片面若しくは両面に金属蒸着層を備える高分子フィルムとメッシュサ
   イズが５〜３０番の有機材料からなるネットレースを重ね合わせて一体化された断熱テー
   プを該内管の外側に螺旋状に巻き付けて積層構造とした断熱層と、該断熱層の外側に設け
   られる外管とで構成される超電導ケーブル用断熱管において、前記断熱層の厚みが９ｍｍ
   以上、且つ厚み方向の層密度が２．５枚／ｍｍ以上４．５枚／ｍｍ以下であることを特徴
   とする超電導ケーブル用断熱管。
2. 前記断熱層を構成する断熱テープが、厚み２００μｍ以上４００μｍ以下のネットレース
   を用いることを特徴とする請求項１記載の超電導ケーブル用断熱管。

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