JP4819323B2 - 超伝導ケーブルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は超伝導ケーブルの製造方法に関する。

電気工学新聞ＥＫＺ−Ｂ，ＢＤ．２６（１９７４）、２１５頁からフレキシブルで高性能な直流用ケーブルが知られている。このケーブルは板状の超伝導材料、安定化したＮｂ_３Snは、いわゆる超低温封筒で覆われている。この超伝導体は、中空であり実際の使用においてはヘリウムが通過されている。いわゆる「超低温封筒」と伝導体の中間には通路があり、液体もしくはガスのヘリウムが逆方向に流れている。

この超低温封筒は所定の間隔で配置された波型の金属管から構成されており、その金属管の中間には、真空といわゆる超絶縁体が存在している。上記ケーブルは連続的な作業において約２００ｍまでの長さのケーブルを製造することができる。最大の通過電流は前述の構造の各々のケーブルの２本から構成されたシステムにおいては５ＧＷの電流を流すことができる。

１９９９年春のＥＰＲＩジャーナルという雑誌から次のような超伝導ケーブルが知られている。このケーブルにおいては液体窒素を流す支持配管の周囲に多数の板材を巻き、第２世代の超伝導材料として成立している。この近代的な超伝導材はフレキシブルな金属板と、その金属上のイットリウム−バリウム−銅酸化物からなる組成物を当該金属板上に被覆している。

上記超伝導板の上には波型の金属管（ベローズ管）が備えられている。波型の金属管の外側には断熱性の多数の層が巻かれている。この断熱層は第２の波型の金属管で覆われており、熱的断熱層は更にテフロン（登録商標）の間隔保持体（スペーサ）が備えられている。上記第２の波型金属管の外側には強固な絶縁体と外側の電気シールド材が備えられている。

上記双方のタイプの超伝導体に共通することは、超伝導体又はそれを取り巻くケーブル素材は、使用中、液体ヘリウム又は液体窒素の温度にあるが、周囲の大気温度にある外側のケーブル素材と接近している。この接近を阻止するため、ケーブルの両端部材を設け、ケーブル素材を強固に連結し、これにより外側のケーブル素材に内部のケーブル素材が接近することを回避している。
電気工学新聞ＥＫＺ−Ｂ，ＢＤ．２６（１９７４）、２１５頁 ＥＰＲＩジャーナル、１９９９年春

この課題は、請求項１に開示された方法で解決される。
波型管体よりケーブル芯材は高い剛性を有しているので、ケーブル芯材は波型管体外側にある内壁と接触し、ケーブル芯材は最大のコイル直径を形成する。本発明においては、波型管体の内側直径はケーブル芯材よりも大きいので、波型管体内にあるケーブル芯材はそれぞれの中心軸に関して波型管体の長さよりも大きい。

ケーブル芯材が波型管体の両端に接続され、超伝導ケーブルがケーブルドラムに巻かれていると、ケーブル芯材は波型管体に対して過剰な長さがある。超伝導ケーブルがケーブルドラムに巻かれると、波型管体は、上記過剰長さに相当する長さだけ伸び、または、波型管体の内側へ間隔を置いて波型に伸びる。

超伝導ケーブルの使用時においては、即ち、液体窒素の温度においては、ケーブル芯材の波型形状は消失する。

以下本発明を図面により詳細に説明する。図１には、本発明の超伝導ケーブルの縦断面図が示されている。ケーブルはケーブル芯材１からなり、詳細には示していないが、内側の支持管体と、上記管体上に巻かれている高温超伝導材の多数の層と、上記高温超伝導材の上に配置された絶縁材とから構成される。

絶縁材は、低温の耐久性があり、例えばガラス繊維、マイカ板又はポリテトラフルオルエチレンから構成される。ケーブル芯材１はいわゆる「超低温封筒」内にあり、この低温封筒は内側の波型管体（ベローズ管）２と所定の間隔で離間している外側の波型管体３とから構成されている。

内側の波型管の外側には箔４が巻かれており、この箔はアルミニウムの蒸着メッキを両面に施した合成樹脂の箔から構成されている。この箔４の外側には一定の間隔保持部材（スペーサ）５が巻かれており、この材料は望ましくは多数の毛髪状体を互いに絡み合った合成樹脂、ガラス繊維又はセラミック材料からなる紐状体から構成されている。

間隔保持材５の外側にはいわゆる超絶縁層６があり、この層は金属箔の層、または金属で被覆した合成樹脂と合成樹脂の毛髪状体からなる箔、又はガラス繊維又はセラミック材料のベースの上に設けられた毛髪体からなる箔を交互に積層した材料より構成されている。

超低温封筒の構造はＥＰ−０３２６９２３Ｂ１に開示されたものである。超伝導ケーブルを実際に使用する場合には波型管２と３の中間の空間７は排気される。超伝導ケーブル１の冷却のためには液体窒素をケーブル芯材の支持ロール及び波型管２と３の中間の空間に流通させる。

図２には、製造装置の断面が示され、この装置により超伝導ケーブルは製造される。板材のリール１０から金属板１１は連続的に引き出され、場合によっては板材の清浄装置１２で板材を清浄にし、成形装置１３において徐々に長手方向に継目のある継目管に成形される。

ケーブルの芯１４は、同様に在庫ドラム１５から連続的に引き出され継目のある管の中に押し込まれる。継目のある管の長手方向の継目は溶接ステーション１６において溶接され、溶接された管はケーブルの芯材１４と共に波型成形装置１８の引抜装置１７によって引き出される。

波型成形装置１８においては、長手方向に溶接された管が波型成形を受け、続いてケーブルドラム１９に巻き取られる。いわゆるダンサー２０はケーブルドラム１９の引き抜き速度を制御する。所望の超伝導ケーブルの長さが得られると、またはケーブルドラム１９は一杯になるとケーブルの芯材１４の端部は波型管２の端部にしっかりと結合される。

ケーブル芯材１４は波型管よりも剛直なので、ケーブル芯材１４は波型管体に片寄り、より具体的には湾曲している波型管体の外側の半径方向に接近している。波型管体の中に存在しているケーブル芯１４は波型管体に対してより大きな長さとなる。次の作業工程においては前述と同様な装置において、図１に示した各要素、すなわち金属箔４、間隔保持部材５、超絶縁材６及び最外側波型管体３の全てが再度成形される。

図３においてはケーブルドラム１９の断面を示し、波型金属管体（図１における内側の波型管体２）は波型管体２の内部に存在しているケーブル芯材１又は１４と共に（図２参照）ケーブルドラム１９に巻き取られている。図から明らかに、曲げることが困難なケーブル芯材１は波型管体２の最も外側に片寄っており、従って波型管体２に対してより長い長さを保持している。

この長さの相違Δ１（過剰長さ）は次の式から計算できる。
Δｌ＝Δｒ×π×２×ａ
ここでΔｒは波型管体２の内側の半径とドラムに巻き取られている超伝導ケーブルのケーブル芯材の外側の半径との差であり、ａはケーブルドラムに巻き取られているコイルの数を意味する。

波型管体の内側の直径が６０ｍｍ、ケーブルの外側の直径が５０ｍｍ、ドラムの直径が３００ｍｍである場合において、１巻当りの過剰長さは３ｃｍである。コイルの全長は９．４ｍである。従って過剰長さの比は０．３％である。従って、ケーブル芯材を液体窒素の温度まで冷却することによって発生するケーブル芯材の短縮は０．３％であり、過剰長さ０．３％と同等である。

図３にはケーブルの長手方向が示され、ケーブルドラム１９に巻き取られている。ここで明らかなようにケーブル芯材１は剛直なため波型管体の外側の方向に片寄って存在している。ケーブル芯材１と波型管体２は巻き戻された状態においては両端が力強くお互いに結合され、この状態は管体端部２１及び２２に概略示されている。

本発明の超伝導ケーブルの縦断面図の例を示す。 本発明の超伝導ケーブルの製造装置の断面を示す。 本発明の超伝導ケーブルのドラム１９の断面を示す。

符号の説明

１ 超伝導ケーブルの芯材
２ 内側の波型管体（ベローズ管体）
３ 外側の波型管体（ベローズ管体）
４ 箔
５ 間隔保持体（スペーサ）
６ 超絶縁層
７ 波型管体の空間
１０ リール
１１ 金属板
１２ 清浄装置
１３ 成形装置
１４ ケーブル芯材
１５ 在庫ドラム
１６ 溶接ステーション
１７ ケーブル引抜装置
１８ 波型成形装置
１９ ケーブルドラム
２０ ダンサー
２１ 管体端部
２２ 管体端部

Claims (3)

1. 超伝導素材を含む少なくとも１本のケーブル芯材と前記芯材を長手方向に亘って覆う曲げ可能な内側の波型管体と該内側の波型管体を長手方向に亘って覆う外側の波型管体とから構成される超伝導ケーブルの製造方法であって、
   （ａ）ケーブル芯材を連続的に引き出し、
   （ｂ）金属板を連続的に引き出し、
   （ｃ）前記金属板を前記芯材の周囲に連続的に成形し、継ぎ目がある管体とし、長手方向の継ぎ目を溶接し、更に、ケーブル芯材の外径よりも大きな内径を有するように前記溶接された管体を波型管体に成形して前記内側の波型管体を形成し、
   （ｄ）ケーブル芯材と内側の波型管体とからなるケーブルをケーブルドラムに巻き取るか、又は少なくとも１巻きのコイル状ケーブルとし、
   （ｅ）前記ケーブルドラム上にあるケーブル又は少なくとも１巻きのコイル状ケーブルにおいて、前記芯材の端部を波型管体の端部と機械的に連結する、
   工程を備え、
   前記ケーブルの前記ケーブルドラムへの巻き取りにより、又は少なくとも１巻きのコイル状ケーブルとすることにより、前記ケーブル芯材と前記内側の波型管体の剛性の違いを利用して、前記ケーブル芯材を前記内側の波型管体内において半径方向外側に位置させて、前記ケーブルにおいて前記ケーブル芯材の長手方向長さを前記内側の波型管体の長手方向長さに対して過剰長さΔｌだけ長くすることを特徴とする製造方法。
2. 前記過剰長さΔｌの前記内側の波型管体の長手方向長さに対する比は、少なくとも０．２５％であることを特徴とする請求項１記載の超伝導ケーブルの製造方法。
3. 前記ケーブル芯材が、高温超伝導体を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導ケーブルの製造方法。

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