JP4746175B2 - 超電導ケーブル線路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導ケーブル線路に関するものである。特に、冷媒の冷却手段の数を少なくして冷却区間長を長くすることができる超電導ケーブル線路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超電導ケーブルは、断熱管内に超電導コアを収納した構造となっている。このコアは、内周から順に芯材、超電導導体層、電気絶縁層を具える。芯材はパイプ状で、その内部が冷媒流路となる。また、コアと断熱管との空隙も冷媒流路となる。このような超電導ケーブルは接続部を介して接続されて線路を構成している。
【０００３】
ここで、超電導ケーブルの導体層を超電導状態に維持するには、冷媒を臨界温度以下に冷却する必要があり、そのためにはサブクール状態とした液体窒素などを超電導ケーブルの冷媒流路へ圧送して超電導ケーブル全体を冷却する。その際、冷凍機と圧送ポンプが必須となる。従来、冷凍機とポンプとは、冷却ステーションとして一まとめにして集中配置されていた。そのため、通常は所定の冷却区間長（冷媒が循環する長さ）毎に冷却ステーションを設けて線路を構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の超電導ケーブル線路では、冷却区間長を長くして冷却ステーションの数を減らし、コスト削減やメンテナンスの容易化を図ることが難しいと言う問題があった。
【０００５】
冷媒には、冷却管（冷媒流路）との摩擦による圧力低下やケーブルの発熱による温度上昇が起こる。冷媒を圧送可能な距離は、主に、▲１▼冷媒の温度上昇、▲２▼冷媒の圧力損失量によって決まる。冷媒の温度が沸点まで到達すると冷媒はガス化してしまい冷媒での冷却が不能となる。また、長手方向の圧力差がゼロとなると冷媒を循環させることが不能となる。
【０００６】
超電導ケーブル線路は、温度上昇の面では10km以上の冷却が可能であるのに対し、圧力損失の面では冷却区間長が数百mに制限されることが設計によってはあり得る。このように、冷媒の温度上昇と冷媒の圧力損失量は、それぞれ別の理由で冷却区間長に関係している。
【０００７】
長距離の区間を冷却するためには、冷媒の許容上昇温度を高くかつ許容圧力損失量を高く設定すれば良い。温度上昇対策としては冷凍機のパワーアップや導体損失低減が考えられる。圧力損失対策としては、送り出す冷媒の圧力アップや流路の流体抵抗低減が考えられる。
【０００８】
しかし、いずれの対策においても、冷凍機やポンプの大型化を伴い、冷却ステーションの設置スペース増大などの問題を生じる。これは、従来考えられてきた冷却方式では、冷媒の冷却と循環に必要な加圧という2つの工程を、ケーブル端に設置される冷却ステーションで集中的に行っているためである。
【０００９】
さらに、通常の超電導ケーブルは、電気絶縁層の内周に位置する芯材を冷媒流路としている。そのため、芯材内部の冷媒をポンプで加圧しようとすれば、一旦冷媒を外部に引き出さなければならない。その際、必ず電気絶縁物を介して冷媒を引き出さなければならず、引き出し構造が複雑かつ大型となる。
【００１０】
従って、本発明の主目的は、冷媒流路の最高圧力を軽減し、圧力損失量による冷却区間長の制限を緩和することで冷却区間を長くすることができる超電導ケーブル線路を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超電導ケーブル線路における冷媒の冷却手段と加圧手段とを分離配置することで上記の目的を達成する。
【００１２】
すなわち、本発明超電導ケーブル線路は、冷媒流路を有する超電導ケーブルと、超電導ケーブルの冷媒の冷却手段と、冷媒を圧送する加圧手段とを具える超電導ケーブル線路である。そして、加圧手段の少なくとも一つを冷却手段とは独立に配置したことを特徴とする。
【００１３】
ここで、超電導ケーブルとしては、冷媒流路の外側（断熱管外）に電気絶縁層を設けた常温絶縁方式と、冷媒流路の内側（断熱管内）に電気絶縁層設けた低温絶縁方式との2通りがある。本発明線路には、いずれの方式も利用できる。特に、電気絶縁層の外側のみに冷媒流路を有する低温絶縁方式は、冷媒を一旦外部に取り出すことが容易にできてより好ましい。
【００１４】
超電導ケーブルの具体的な構成としては、断熱管内に超電導コアを具えたものが挙げられる。断熱管は、内管と外管との間に断熱材を配置して真空引きしたものが好適である。内外管には、アルミなどのコルゲートパイプが可撓性の点で優れている。
【００１５】
一方、超電導コアは、中心から順に、芯材、超電導導体層、電気絶縁層を具えた構成とする。芯材は、従来と同様にパイプ状のものでも構わないが、冷媒流路のない充実構造が好ましい。この充実構造の具体例としては、素線絶縁された線材の撚り合わせ構造が挙げられる。この構造であれば、芯材の渦電流損が低く、可撓性が良好であり、芯材部の線材のすきまを少なくできるので、芯材の抵抗を低くでき、短絡電流が芯材に流れた場合の温度上昇を低く設定できる。線材は、常電導線および超電導線の少なくとも一方を用いる。線材の断面は、円形状のものが好ましい。超電導線でも成形しやすいからである。また、芯材の外周を平滑にすることが好ましい。芯材外周が平滑であれば、ケーブルの曲げなどによって超電導線材が座屈して機械的に劣化することを抑制できる。平滑化手段としては、芯材の外周に押出し被覆を設けたり、テープを巻回したり、芯材最外周の線材を細経とすることが挙げられる。芯材を充実構造とすれば、冷媒流路は超電導コアと断熱管との空隙のみの一流路となり、冷媒加圧手段を設けた個所において、冷媒をケーブル外部に容易に引き出すことができる。
【００１６】
超電導導体層は、複数本の超電導線材を螺旋状に巻回したものが一般的である。超電導線材には、イットリウム系、ビスマス系、タリウム系など、液体窒素を冷媒とする高温酸化物超電導材料が好適である。電気絶縁層の外周には、磁気遮へい層を設けても良い。これにより、断熱管に発生する渦電流損を抑えて、大容量の電流を流すことができる。
【００１７】
超電導ケーブルは、単心構造でも良いが、コンパクトで大容量の送電を可能にするため、３芯一括構造が有効である。
【００１８】
冷却手段は、従来から用いられている冷凍機を利用することができる。
【００１９】
また、加圧手段には、公知のポンプなどを利用することができる。加圧手段は線路長手方向に分散配置することが好ましい。この構成により、各々の加圧手段の圧送能力は従来の冷却ステーションに用いられているポンプほど高くする必要はない。この加圧手段の一部は、冷却手段と集合配置した個所があっても構わない。また、冷凍機がコンパクトであれば、更に冷凍機を分散配置することもできる。
【００２０】
加圧手段の配置個所は、超電導ケーブルの接続部とすることが好適である。超電導ケーブルの接続部は、接続部形成の必要性からある程度のスペースが必要であり、加圧手段を設けるスペースも確保しやすいからである。特に、接続部の内部に、隣接する冷却区間同士の冷媒流路を仕切る隔壁を設けることで、各区間ごとの冷媒の独立性を確保し、効率的に冷媒の圧送が可能になる。
【００２１】
さらに、加圧手段に流量制御機構を設けることで、各加圧手段の流出入量を一定にし、冷媒流路の長手方向における流量のばらつきを少なくできる。
【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は本発明線路に用いられる超電導ケーブルの断面図である。この超電導ケーブルは、断熱管10の内部に3芯の超電導コア11が収納された構成となっている。
【００２３】
断熱管10は、アルミコルゲートパイプの内外管の間にスーパーインシュレーションなどの断熱材を配置して、内外管の間の空間を真空引きした構成である。
【００２４】
超電導コアは、内周から順に、芯材12、超電導導体層13、電気絶縁層14、磁気遮へい層15となっている。芯材12は、絶縁被覆された断面が円形状の銅線を複数本撚り合わせた構成である。従って、従来のパイプ状の芯材とは異なり、芯材12は冷媒流路のない充実構造となっている。超電導導体層13は、テープ状の金属被覆Bi系高温超電導線を芯材上に螺旋状に巻回して構成されている。電気絶縁層14は、クラフト紙とポリプロピレンテープとを貼り合わせた複合材（PPLP）を巻きつけることで構成した。磁気遮へい層15も導体層13と同じテープ状の金属被覆Bi系高温超電導線を螺旋状に巻回して構成した。このケーブルの特徴は、芯材12に冷媒流路がなく、断熱管10と各超電導コア11との間のみが冷媒流路16となり、この流路にサブクール状態の液体窒素が流される。この超電導ケーブルの諸元を表1に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
この超電導ケーブルを用いた本発明線路の具体的構成を図2に示す。図２において、「J」は接続部、「C」は冷凍機、一重丸の「P」はポンプ、二重丸の「P」はポンプ（ブースター）である。
【００２７】
ケーブル終端接続部に冷却ステーションを設け、一部の中間接続部に冷媒を加圧するポンプ（加圧手段）を設けた。本例では、4つある中間接続部のうち、２つの中間接続部にポンプを設置した。冷却ステーションは、冷凍機（冷却手段）とポンプが集合配置されており、冷凍機でサブクール状態に保持された冷媒をポンプで加圧して超電導ケーブル内に圧送する。各ポンプには、流量調整機能を設けて、冷媒流路をながれる液体窒素の流量が長手方向で変化が生じないように調節できる。
【００２８】
中間接続部へのポンプの具体的配置構造は図3に示す通りである。すなわち、冷媒流路における接続部Jを挟む前後の区間を隔壁21で仕切り、上流区間の冷媒22を一旦超電導ケーブル外部に引き出してポンプPに送りこむ。超電導ケーブルの冷媒流路が、電気絶縁層（超電導コア23）の外周にしか存在しないため、冷媒を容易に外部に引き出すことができる。ポンプに送り込まれた冷媒は、加圧されて下流区間の超電導ケーブル内に圧送される。この構成により、ケーブル線路の中間に冷却ステーションを設けることなく冷媒の加圧が可能になる。そのため、ポンプの高圧化を伴う必要がなく、冷凍機の設置区間長を長くすることができる。なお、このような構成は芯材が充実の単芯ケーブルでも実現できることは言うまでもない。
【００２９】
（実施例２）
次に、図1の超電導ケーブルを用いて、本発明のようにポンプを分散配置した線路と、従来のように加圧ポンプと冷凍機とを集合配置した線路について、冷却区間長の比較を行った。
【００３０】
比較を行う線路うち、本発明線路の構成図を図4に示す。この図における「J」、「C」、「P」は図２におけるものと同一である。この線路は、往路線路と復路線路からなる一対の線路が並行に布設されたものである。各線路は複数の超電導ケーブルを接続部を介して接続して構成されている。往路線路と復路線路との間には、冷凍機とポンプのセットを2対配置して接続部同士をつなぎ、冷却ステーションとして構成した。そして、冷却ステーションを構成しない往路線路と復路線路の接続部同士の間に一対のポンプを介在させて、冷媒の圧送を行っている。一方、従来構造の線路は、図４におけるブースター（二重丸のP）を取り去った構成である。
【００３１】
同一性能（同一損失量）の導体および断熱管を用いて、冷媒としてサブクール状態の液体窒素を使用することを前提に、次の条件で比較を行った。冷凍機間の温度上昇を10K以内とし、断熱管の強度を考慮して外部との圧力差を1MPa以下、使用する冷凍機の容量を60kWとする。比較結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】

【００３３】
従来構造の線路では、冷凍機の能力（冷却能力）としては十分であるにも関わらず、圧力差による制限によって圧送可能な冷却区間長は2500ｍ以下となる。一方、途中に加圧用のポンプを設けた本発明線路では、500ｍ毎に加圧用のポンプを設けて各区間で昇圧すれば、冷凍機の容量が60kWであれば圧送区間長は5000ｍと、従来型よりも約2倍にアップする。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明線路によれば、冷媒の冷却手段と加圧手段とを独立して配置することで、冷媒流路の最高圧力を軽減し、圧力損失量による冷却区間長の制限を緩和することで冷却区間を長くすることができる。特に、超電導ケーブルの芯材を充実構造として、電気絶縁層の外周にのみに冷媒流路を構成することで、超電導ケーブルから一旦外部に冷媒を引き出して加圧手段に導くことが容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明線路に用いる超電導ケーブルの断面図である。
【図２】本発明線路の概略図である。
【図３】本発明線路における冷媒の引き出し構造を示す概略図である。
【図４】図２とは異なる構成の本発明線路の概略図である。
【符号の説明】
10 断熱管
11 超電導コア
12 芯材
13 超電導導体層
14 電気絶縁層
15 磁気遮へい層
16 冷媒流路
21 隔壁
22 冷媒
23 超電導コア
J 接続部
C 冷凍機
P ポンプ

Claims (4)

1. 冷媒流路を有する超電導ケーブルと、冷媒の冷却手段と、冷媒を圧送する加圧手段とを具える超電導ケーブル線路であって、
   前記冷却手段は超電導ケーブルの終端接続部に設けられ、
   前記加圧手段の少なくとも一つは、前記冷却手段と分離して超電導ケーブルの中間接続部に設けられ、
   前記中間接続部には、冷却手段が設けられていないことを特徴とする超電導ケーブル線路。
2. 前記超電導ケーブルは、断熱管と、断熱管内に収納される超電導コアと、断熱管と超電導コアとの間に形成される冷媒流路とを具え、
   前記超電導コアは、芯材と、芯材の外周に形成された超電導導体層と、この導体層の外周に設けた電気絶縁層とを具え、
   この芯材は冷媒流路のない充実構造であることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル線路。
3. 前記中間接続部の内部には、隣接する冷却区間同士の冷媒流路を仕切る隔壁が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の超電導ケーブル線路。
4. 前記加圧手段は、超電導ケーブルの外部において、隔壁を挟む一方の冷却区間と他方の冷却区間とをつなぐ冷媒流路の途中に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の超電導ケーブル線路。

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