JP4880229B2 - 超伝導送電ケーブル及び送電システム - Google Patents

Description

本発明は、超伝導送電ケーブル及び該ケーブルを用いた送電システムに関する。

超伝導伝送ケーブルとして、従来より、各種構成が提案されている。敷設作業の容易化、熱侵入対策等の向上が求められている。なお、超伝導ケーブルに関して、以下の特許文献１、２等が参照される。また、熱電変換素子を備えた電流端子について特許文献３等が参照される。

特開２００３−３３３７４６号公報 特開平１０−１１２４０７号公報 特開２００３−２１７７３５号公報

したがって、本発明の主たる目的は、伝送効率をより向上し、敷設作業を容易化し、熱侵入を低減するするケーブル及び直流送電システムを提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するため、概略以下の構成とされる。

本発明は、超伝導導体部を内側に収容する第１のパイプと、前記第１のパイプの外側に配設される第２のパイプと、を少なくとも備え、前記第１のパイプと前記第２のパイプとは真空断熱され、前記第２のパイプの材料として強磁性材料を用いている、ことを特徴とする。

本発明において、前記第１のパイプは、内側から順に、冷媒通過部、前記超伝導導体、及び電気絶縁部を収容する。

本発明において、前記第２のパイプは鉄管である。

本発明において、前記第２のパイプが、磁気ギャップをパイプの長手方向に備えた構成としてもよい。

本発明において、前記第２のパイプは、前記磁気ギャップに、非磁性材料を備えた構成としてもよい。

本発明において、前記第１のパイプと前記第２のパイプとの間の真空断熱部に、アルミニウムが被着された複数のシートよりなるインシュレータ部材を備えた構成としてもよい。

本発明において、前記超伝導導体部は、フォーマーにテープ線材が巻きつけられている構成としてもよい。

本発明において、前記第２のパイプは、前記第１のパイプを真空断熱部を介して収容する一のパイプと、前記一のパイプを内側に収容する別のパイプとを少なくとも含む構成としてもよい。

本発明において、前記一のパイプは真空気密保持用であり、前記別のパイプは磁気エネルギー保持用である。

本発明において、対向する前記超伝導送電ケーブルの直管部端部はベローズ管で接続され、前記超伝導送電ケーブルの直管部は、少なくとも互いに離間した複数箇所で固定支持されている構成としてもよい。

本発明において、前記第１のパイプが、内側から順に、第１の冷媒通過部と、第１の超伝導導体部と、第１の電気絶縁部と、強磁性体部と、電流の向きが前記第１の超伝導導体部と逆の第２の超伝導導体部と、第２の電気絶縁部と、第２の冷媒通過部と、を収容している構成としてもよい。

本発明において、前記強磁性体部は、前記第１のパイプの長手方向に沿って配設される、複数の強磁性体リングよりなる構成としてもよい。前記複数の強磁性体リングは、相隣るリング同士が接続線で接続されている構成としてもよい。

本発明において、超伝導送電ケーブルの常温端部において、前記超伝導導体部をなす超伝導素線は、リードを介して真空シールと電気絶縁を行う第１のフィードスルーに接続され、前記第１のフィードスルーからリードを介して、真空と大気側間の第２のフィードスルーに接続され、前記第２のフィードスルーには、熱電変換素子が接続されおり、熱侵入を低減し、前記第２のフィードスルーからケーブルにて外部の電源に接続される構成としてもよい。

本発明において、前記第２のフィードスルーは、真空側に設けられ、前記熱電変換素子が搭載される第１の電極と、前記第１の電極を支持する電気的に絶縁性の第１の絶縁板と、前記第１の絶縁板を前記第１の電極と挟み、常温大気側の電源にケーブルで接続される第２の電極と、前記第２の電極を保持する電気的に絶縁性の第２の絶縁板と、を備えた構成としてもよい。

本発明において、前記第２のフィードスルーは、真空側に設けられ、前記熱電変換素子の一側に接続される第１の電極と、真空側に設けられ、前記熱電変換素子の他側に接続され、電流リードに接続される第３の電極と、前記第１、第３の電極を支持する電気的に絶縁性の第１、第３の絶縁板と、前記第１の絶縁板を前記第１の電極と挟み、常温待機側の電源にケーブルで接続される第２の電極と、前記第２の電極を保持する電気的に絶縁性の第２の絶縁板と、を備えた構成としてもよい。

本発明によれば、第２のパイプの材料として強磁性材料を用い、空間に保持できる磁気エネルギーを大きくすることができ、送電線がSMESの効果を持つため、伝送効率を向上することができる。

本発明の実施の形態について以下に説明する。図１は、本発明の一実施形態の構成を示す図である。鉄管を利用した断熱パイプの一例を示す。内側から構造を説明する。一番内側には、冷媒を流す冷媒通過部１０１があり、この例では、ストレート管状になっている。これは、一般には「フォーマー」と呼ばれるパイプの内側に冷媒が流れる。

このフォーマーに超伝導線を巻き付けたものが超伝導導体部１０２である。超伝導線は、液体窒素温度の冷媒を利用する場合には、「高温超伝導体(HTS)」と呼ばれる材料が使われ、通常は、酸化物材料であり、テープ状に加工されている。冷媒とテープ線材が直接触れるようにするために、フォーマーには細かな穴などが空いている構造をとっている。

超伝導テープ線材の上に電気絶縁をするための電気絶縁層１０３がある。電気絶縁層１０３は、同時に熱絶縁を行うことができる材料が用いられるが、一般に、電気絶縁物は、熱伝導率が低いので、この条件（熱絶縁特性）を満たしやすい。

上記構造物（冷媒通過部１０１、超伝導導体部１０２、電気絶縁部１０３）を、内部パイプ１０５内に入れる。内部パイプ１０５の材料としては、内部パイプ１０５が低温となるので、例えばステンレスが使われる。そして、内部パイプ１０５の部分までは、低温となり、熱収縮するので、この内部パイプ配管は、好ましくはベローズ管が用いられる。

ベローズ管の外側には、真空層（真空断熱部）１０４があり、この真空を維持するために、外部パイプ１０６が設けられる。外部パイプ１０６は常温であり、外部パイプ材料として鉄などの強磁性材料を利用する。

外側パイプは、従来、ステンレスが用いられてきたが、強磁性材料を用いると、透磁率が高いため、送電線が持つインダクタンスが増大する。送電線に保持される磁気エネルギーを増大させることは、本発明のシステムの特徴の一つをなしている。

従来のシステムでは、鉄管を、このような真空配管として利用する構成は用いられていない。鉄管をこのような真空配管として実現するには、下記に述べるような、いくつかの要請がある。

鉄材の外部パイプは、酸化によって錆びるので、防錆処理として外側表面にメッキなどが行われる。

また、外部パイプの外側表面には衝撃や傷を避けるために、ラバー材によって覆う。

次に、外部パイプの内側であるが、真空を保持するために、表面からのガス放出率を下げる必要がある。このために、メッキや蒸着などの表面処理が行われる。

さらに、低温を保持するためには輻射率を下げる必要がある。

以上で述べた理由のため、好ましくは、アルミニウムを内側表面に蒸着するようにしてもよい。他には、真空層に、「スーパーインシュレーション」と呼ばれる、フィルムにアルミニウムをコーティングした薄い膜を複数入れることによって、輻射熱の侵入を低減する方法が一般的に用いられる。

次に、鉄管の磁気特性について説明する。一般に、磁気特性は、BH特性図で示される。図２に、その一例（方向性珪素鋼板の磁気特性）を示す。これはヒステリシス曲線となり、最大印加磁場によって大きく異なる。

図３は、強磁性材料の磁気特性を説明するための模式図である。最初に磁場Hを印加するときには、図３の原点Oから出発する。そして、磁場がある値H1に達したとき磁束密度Bは最大となりこのときの磁束密度Bを「最大磁束密度Bm」という。図３では、特性曲線(1)として示している。

次に、磁場を下げると、特性曲線(2)で示したように、磁場がゼロになるまで変化する。この時、B0を「残留磁束密度」という。そして、このように元の曲線を通らないで変化することを、「ヒステリシス」と呼ぶ。再度、励磁する時には、完全に(2)で示す曲線にはならないが、ほぼ(2)に近い曲線で変化する。そして、減磁する時には、ほぼ(2)に沿って変化する。これを矢印で示した。

したがって、鉄管を、図１のように外側パイプ１０６として利用すると、内部の超伝導体に流れる電流の変化に応じて、磁場Hが変化し、それの磁気特性は、最初を除けば、ほぼ、図３の特性曲線(2)にしたがって変化すると考えてよい。

このような磁性体によって保持される磁気エネルギーW は、次式（１）で与えられる。

したがって、図３の特性曲線(1)となるか、特性曲線(2)となるかで、電流の値が変化して磁性体の中に保持される磁気エネルギーWは、大きく異なり、特性曲線(1)の方が磁気エネルギーWは多く、特性曲線(2)では少ない。このような、直流特性では、磁性体を利用する価値が下がる。

したがって、何らかの方法で、例えば、図３の特性曲線(3)で示すような特性を得ることができることが望ましい。つまり、残留磁束密度B0が下がるようになればよい。なお、磁性材料を利用しないで、例えばステンレスを利用すると、このようなヒステリシス特性は示さず、H、 Bの関係は、原点を通り、直線的に変化する。

図３の特性曲線(3)に示すような磁気特性は、図４に示す外部パイプの磁気回路で実現される。図４に示すように、パイプ断面の円状に磁気回路ができる。

磁場Hは、紙面に垂直方向にこのパイプ１０６の内側にある超伝導体の電流が流れるとして示している。磁気誘導（磁束密度）Bも同じ方向にギャップを入れることによって実現できる。このギャップが存在しないと、曲線(2)に示すような特性になる。

一方、外部パイプは、真空を保持する必要があるので、空間的に空いているわけにいかない。したがって、ギャップ部は、例えばステンレスのような非磁性材料を使えば、磁性的には、ギャップがあることと同等になり、さらに真空は保持できる。図４（B）のような断面構造は、外部パイプ１０６（図１参照）を製作する際に、板を曲げてパイプ状とし、非磁性材料を挟み込んで、最後に溶接すれば良い。なお、ギャップはできるだけ短い方が良い。これは、同じ磁場H1を印加しても最大磁束密度Bmが減少するからである。したがって、実際の設計ではこのような特性を考慮して行うべきである。

次ぎに、複合構造の外部パイプ１０６について検討を行う。外部パイプ１０６の役割は２つある。

第１は真空断熱をするためであり、
第２は磁気エネルギーの保持である。

この２つの機能を分離することは可能である。図５にその一例を示す。図５（A）において、外部パイプ１（１０６）は真空を保持するためにあり、外部パイプ２（１０７）は磁気エネルギーを保持するために使う。したがって、外部パイプ１は、例えば薄いベローズで作製することで、曲げることも容易であり、施工工作も容易になる。２つのパイプ１０６、１０７の間には、クッション材１０８などを配設してもよい。これは、同時に、熱伝導率の低い材料を用いると断熱にも使える。

さらに、外部パイプ２（１０７）は、２つ割にしてあって、ねじ止めにする構造をとっても良い。図５（B）に示すように、２つの外部パイプ２を合わせて接合する構成とされている。さらに、外部パイプ２（１０７）は、厚手になるので、ここで全体を保持する構造システムを配設してもよい。

次に、単線の超伝導ケーブルを地中の共同溝などに設置する場合を説明する。図７には、共同溝への設置例の断面構成が模式的に示されている。共同溝内の２つの超伝導ケーブル２０１に流れる電流の方向が反対になるので、２本のケーブルの間には磁場が発生し、広く外に出ていく場合がある。これは、ケーブル系が大きな磁気エネルギーを持つためである。また、日本の国内法では公衆が往来する空間では、磁場は5G以下にする必要があるため、効果的に磁気シールドを行う必要がある。２本のケーブルは互いに反発する電磁力が働く。これは電流が大きくなると２乗に比例して大きくなるので、支持する必要がある。以上の問題を解決するには、２本の超伝導ケーブル２０１を磁気シールド用に鋼板２０２で接続すれば良い。２本の超伝導ケーブル２０１間に働く電磁力を鋼板２０２が支持するだけでなく、鉄などの強磁性材料で作られているので、磁気シールドを行うことができる。このため、更に保持される磁気エネルギーが増大する。同様な効果は、共同溝を作る壁に鉄材などを利用することによっても可能である。そして、これは完全に覆う必要は必ずしもない。

超伝導ケーブルの直管を利用する場合には長さに制限があるので、何カ所かで接続して所定の長さにする必要がある。同時に、複数カ所でそれを固定支持する必要がある。一方、地震や地盤沈下等を考慮すると、全ての長さに渡って、リジッドに固定すると、一部に大きな力がかかり電線を破壊する可能性がある。この問題を避けるために、曲がることが出来ない直管と、直管の間には、曲げることが出来るフレキシブルなベローズ管を接続してやればよい。そして、固定支持は直管部で行うことにする。図７に一例を示す。図７に示す例では、直管（外部パイプをなす鉄管）は、それぞれ２カ所で電線管支持部３０２で固定支持されている。端部同士は、フレキシブルなベローズ管３０３で接続されている。

次に、このような超伝導ケーブルによって送電を行うときのケーブル構成について説明する。図８は、単芯超伝導ケーブルによる送電ケーブルの構成を示す図である。２本の超伝導ケーブル４０１、４０２と１本の銅ケーブル４０３（常伝導）からなる。そして、電源１、２（交流発電機にインバータもしくはコンバータを接続し、直流出力する構成となっている）を設け、図８に示すように、電流（電流１、電流２、電流１−電流２参照）を流す。電源１（４０４）を超伝導ケーブル４０１の一端と銅ケーブル４０３の一端の間に接続し、電源２（４０５）を、銅ケーブル４０３の一端と超伝導ケーブル４０３の一端との間に接続し、超伝導ケーブル４０１の他端と銅ケーブル４０３の他端の間にインバータ１（４０６）を接続し、銅ケーブル４０３の他端と超伝導ケーブル４０３の他端との間に
インバータ２（４０７）を接続し、銅ケーブル４０３の他端とインバータ１、インバータ２の接続点（ノードB）を接地し、インバータ１、２から交流出力が得られる。銅ケーブル４０３に流れる電流は、それぞれの超伝導ケーブル４０１、４０２に流れる電流の差分（電流１−電流２）となるので、電流値は、極めて低くなる。つまり、ジュール損は極めて小さい。また、銅ケーブル４０３に流れる電流をほとんどゼロにするようにインバータ４０６、４０７を制御するようにしてもよい。このような構成によって、銅ケーブル４０３の断面は小さく、抵抗は大きくても、送電には、何等悪影響を与えない。

更に、ノードBが接地されているため、銅ケーブル４０３の電位は接地電位（アース電位）に近くなり、銅ケーブル４０３の絶縁電圧も低くできる。超伝導ケーブルは高価である。しかしながら、図８に示した本実施例の構成によれば、全てのケーブルを、超伝導化しなくて済む。すなわち、本実施例によれば、送電効率を低下させずに、コストの安い送電システムを構成できる。

また、図８に示す例では、銅ケーブル４０３を超伝導ケーブル４０１、４０２とは別に示しているが、超伝導ケーブルの外側パイプ部分に銅部を付加して、そこに電流を流す構成にすれば、付設工事は、２本のケーブルを行うだけで済む。

次に、このシステムに置いて事故があった時の運転について検討を行う。ここで、事故は３つの場合を想定する。一つは、商用交流系の事故、次は超伝導ケーブルで事故、そして最後にインバータの事故である。

図９において、インバータ４０６、４０７の出力先に接続されているスイッチＳＷ３、ＳＷ４は切替スイッチであり、通常は商用交流出力側に接続されている。交流出力先で短絡事故が生じたときには、インバータ運転モードを変えて、出力を止める。インバータは、自己消弧型の半導体素子を利用しているため、この出力停止は、瞬時に行うことが出来る。よって、商用系には事故に伴う大電流が流れないので、機械式の遮断機を用いたシステムに比べて健全性が高い。

次に、もし超伝導ケーブルで事故が発生した時を想定する。この場合には出来るだけ早く超伝導ケーブルの電流を落とす必要がある。この時は、まず、電源１，電源２の出力を止め（これもインバータが使われるので瞬時に行われる）、次に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を閉じる。これによって、電流は、環流する。そして、インバータ出力をゼロにすると、同時に切替スイッチＳＷ３、ＳＷ４を切り替え、ダミー出力側（ダミー抵抗）に接続する。そして、インバータ４０６、４０７の運転を代え、ダミー出力側に直流電流が流れるようにする。これによって、システムの持っていた電気エネルギーが抵抗によって損失し、超伝導ケーブルの電流が急速に減少する。

また、インバータ事故の場合についての対策を説明する。インバータ事故で一般的に想定されるのは、半導体素子が短絡することである。この時、電流が直流で流れ続ける。図９では、インバータは、簡単のため、一方側にしか書かれていないが（インバータ４０６、４０７）、インバータは、ケーブルの両端に装備される。そして、SW1、SW2も同様であり、事故が生じたインバータに、並列のスイッチを閉じれば、インバータ事故部には電流が流れなくなる。そして、健全なもう一方のインバータで、上で述べたような遮断動作を行うことで、大きな事故にはならない。

上記した例のケーブルは単線であったが、２本の導体が同軸上に収容されているケーブル構造について以下に説明する。図１０は、本発明の別の実施例のケーブル構造の断面を示す図である。同軸ケーブルの２つの導体の間に絶縁を施すと同時に、強磁性体を配設している。同軸ケーブルは、外部に磁場を漏らさないことと電磁力がケーブル内部で支持されることおよびインピーダンスが低いなどの特徴がある。この前者２つの理由は、電力ケーブルとして利用する上で望ましいことであるが、インピーダンスが低いことは、直接的には、インダクタンスが低いことを意味する。

２本のケーブルを平行に数m離して布設する場合に比べて1/100以下になることが多い。このため、ケーブルが保持できる磁気エネルギーが少なくなる。

そこで、２つの往復導体（超伝導導体＋（５０２）と超伝導導体−（５０５））の間を電気絶縁すると共に、その間に強磁性体５０４を配設する。

図１０に示すように、一番内側には内側冷媒通過部５０１があり、一定方向に冷媒を流す。これは、超伝導線+（５０２）を巻き付けるフォーマーとその内部に穴があいている形式になっている。冷媒が直接超伝導線に接触するように小さな穴やスリットなどがフォーマーにはある。また、超伝導線にはそれぞれ素線絶縁を施してもよい。そして、これらを包むように電気絶縁部１（５０３）が設けられている。電気絶縁部１（５０３）は、往復導体に印加される大きな電圧を絶縁する。次に、強磁性体部５０４が設けられる。強磁性体部５０４は、一般に、アース（接地）しておくことが望ましい。そして、簡単な電気絶縁部（不図示）を介して超伝導導体-（５０５）を巻き付ける。超伝導導体-は同様に接地する。

超伝導導体-（５０５）の外側をさらに簡単な電気絶縁部２（５０６）を設け、内部パイプ５０９に収容する。内部パイプ５０９と、外部パイプ５１０の間に真空断熱部５０８を備える。なお、挿入した強磁性体５０４に磁気的なギャップ部をもうけても良い。

次ぎに、図１０の往復導体（超伝導線+（５０２）、超伝導導体-（５０５））の間に入れる強磁性体の構造について説明する。ケーブルは、曲げることのできる導体であるため、外部パイプはともかく、この部分は曲げることができないといけない。したがって、ストレート管を利用するわけにはいかない。このため、強磁性体部は、図１１（A）で示したようにリング状にする。そして、複数のリング５０４を接続線５１１でつなぐ。接続線はバネなどを用いて、任意の方向に曲げることができるだけではなくて、少々の伸びたり縮むことができる材料をもちいる。このような接続線を、複数、強磁性体リング５０４に、複数接続してもちいる。

本実施例における常温端部構造について説明する。図１２は、常温端部の構成を示す図である。図１２を参照すると、超伝導素線６０３はフォーマー６０２に巻き付けられている。フォーマー６０２の内側を冷媒６０１が流れる。超伝導素線６０３の外側には、電気絶縁層６０４が設けられ、全体がベローズ管６０５に収容されている。

端部では、そのベローズ管６０５に、内側が電気絶縁層を取り付けた内側パイプ６０６にフランジ６０７を介して取り付けられる。これは、内管が電気絶縁されるために用いられる。内側パイプ６０６のベローズ管６０５と接続する側と反対側端部に、フィードスルー１（６１０）を取り付けたフランジ６０９が接続される。フィードスルーの複数のピンにフレキシブルな導線が接続され、もう一方は、超伝導素線６０３に接続される。また、導線は絶縁物で出来た留具６１２によって固定されている。この導線も表面を電気絶縁する。これによって、内管との絶縁がより良好に保たれる。同様の目的のため、フィードスルー１（６１０）が取り付けられたフランジ６０９も、内側を絶縁処理する。

内側パイプ系に流す冷媒を送る配管とはセラミックスブレークと呼ばれる電気絶縁物６０８で作ったパイプをフランジを介して取り付け、外部の冷却システムとは電気絶縁をとる。セラミックス材等電気絶縁物は一般に熱収縮率が金属とは異なるので、不図示のベローズ管が熱収縮差を吸収するために用いられる。内側パイプ系は外側パイプ系の真空中に設置される。

外側パイプ端部６１５はステンレス製であり、フランジ６１８を介して外側パイプの鉄管部（強磁性材料）６１９に接続される。

また、作業性を良くするために、必要に応じて外側パイプ端部６１５（ステンレス管部）には、作業ホール６１６を取り付ける。また、作業ホール６１６などを利用して真空排気を行う配管を接続し、真空ポンプなどを取り付ける。

外側パイプ６１５（ステンレス管部）には、フィードスルー２（６１４）が接続されたフランジ６１３が取り付けられ、フィードスルー１のピンとフィードスルー２のピンの間を絶縁被覆された導線で接続する。これにも大きな温度差があるので、温度差を吸収するため、フレキシブルで余裕をもって接続する必要がある。常温側には熱侵入を低減するために熱電半導体６１７が取り付けられている。これの詳細構造については後述する。

図１２に示す例では冷媒の出入口が下向きであり、冷媒は流入する側である。一方、逆の端部では、冷媒が流出するので、出入口は上向きになる。もし、低温系への熱侵入が大きく、温度上昇によってガスが発生した時に抜けやすいこと、温度の高い液体冷媒の密度も低いことから、このような構成が用いられる。

図１３は、常温端部全体が、上下方向に向いている時の構造を示す図である。冷媒７０１は熱侵入によって温度が上昇すると密度が下がるので、冷媒を流し込む側は、重力の下側に設置し、流出する側は、上側に設置することが望ましい。特に、何らかの問題で冷媒がガス化したときには、流出口は上側にあることが良い。図１３には、冷媒が流れ出ている常温端部が示されており、電力系の接続は上下方向とされ、冷媒は、パイプの横側から流出する構造とされている。しかし、むしろ逆の方が望ましい。これは、ガスが発生したときには、ガスは上に流れ出るからである。冷媒を作るポンプ系とは、絶縁パイプで電気的に絶縁されることは、図１２の構成と同じである。

また、低温内側パイプ及び常温外側パイプともアース電位にして、作業員安全性を確保する。ベローズ管７０５では電気絶縁を行い、端部では、図のように多重に行う。内側パイプ７０６と向き合っている真空断熱を行うパイプ７１９の内側には赤外線の反射率を高めるために、表面にメッキを行ったり、表面を滑らかにする加工を施す。更に、内側パイプ７０６には外部からの熱輻射を反射するために、スーパーインシュレーションという薄い膜を巻く。

また、熱電半導体７１７に接続する銅リード７２０は、他の機器と電気的に絶縁する必要があるので、銅リード７２０の表面を絶縁し、真空内に設置する他の機器の真空側表面に電気絶縁層を設ける。

次ぎに、フィードスルー２の構造について説明する。熱電半導体を用いることによって低温部への熱侵入を低減する。一方、熱電半導体を用いると熱が低温側から高温側に輸送されるので、常温側で冷却をしないと常温側の温度が高くなる。更に、一般に、熱電半導体は、金属に比べて脆く、接合を配慮する必要がある。

図１４は、フィードスルー２の構造を示す図であり、一つの熱電半導体を取り付ける電極構造を示している。セラミックス板８０３に、電極１（８０１）と電極２（８０２）が挟んで取り付けられている。例えば、ネジを切って互いに取り付けても良い。そして、電極１（８０１）は真空を保持できるようにセラミックス８０３にメタライズされている。そして、電極２（８０２）には、電源からのケーブルが接続されるので、安定して保持するために、FRP（Fiber Reinforced Plastics）板８０４が上側に取り付け、電極２（８０２）を固定している。更に、電極２（８０２）にはフィン８０５が配設されており、フィン８０５によってFRP板８０４とセラミック板８０３の間を通る冷却ガスによって熱交換をする。これは、熱電半導体が汲み上げた熱を放散させるためにある。

また、これらの電極は、銅リード毎に絶縁されており、複数フィードスルーに取り付けてある（図1６参照）。

次ぎに、電極１（８０１）に取り付ける熱電半導体について説明する。熱電半導体として、ビスマス・テルル合金（BiTe）等が用いられる。ビスマス・テルル合金は銅電極に半田付けされる。銅電極表面などを前処理する必要がある。また、BiTeは金属ほど強くなく、接合面も弱いので接合した後、支持する部材が必要になる。

図１５は、フィールドスルー２の別の構成を示す図である。熱電半導体８０８の下部に接合する電極３（９０３）をFRP板−２（９０７）が全体として支持する。熱電半導体９０８及び電極３（９０３）、FRP板−２（９０７）は、真空中に設置される。電極３（９０３）にはフィードスルー１に接続するために銅リード９１０が接続される。

図１６は、本実施例のフィードスルー２の全体構造を示す図である。図１４、図１５に示した熱電半導体及びそれに接続される電極構造物を、一枚のセラミックス板に複数取り付けてある。それらは、同心円上に並べると、銅リードと超伝導ケーブルとは接続しやすい。熱電半導体のペルチェ効果によって熱が低温側から高温側に運ばれるので、そのままで有れば電極２（１００２）の温度が上昇する。これを避けるために、冷却用のガスを流す構造を持っている。ガスは、熱交換して外部に吐き出されるようになっている。熱電半導体１００７と電極の接続はそれほど強固にならないので、電極３（１００３）をFRP板２（１００６）で支持する。電極３（１００３）は低温となるので、FRP板の熱伝導率は低い方が良い。また、熱輻射による熱侵入を避けるために表面に、アルミなどのコーティングを行う。電極３についても同様であり、電極３の表面を反射率の高い材料でコーティングする。

次に、本発明の別の実施例として、超伝導ケーブルの冷却システムについて説明する。直流伝送において、超伝導素線の発熱は、交流の時のように発生しない。低温系への熱侵入は、真空断熱部からと端部からのみになる。冷却のために、冷媒を循環させる必要がある。そのためのポンプ動力は大きくなる。そして、このポンプは、冷媒中で動作させる必要があるので、動力によって発生する熱が全て低温系への負荷となる。従来の交流超伝導ケーブルの開発では、これの動力が熱負荷の大きな要因であることが実験的に知られている。

この問題を解決するための手段として、具体的には、ポンプ動力の低減を計ることになるが、必要な冷媒量は低温系への熱侵入で決まる。そして、冷媒を循環させるための圧力損は冷媒が通過する流路の設計で決まる。そこで、この基本的な考え方として、重力を利用して、循環動力の削減を行うことを狙う。以下に説明する。

図１７は、本発明の別の実施例のケーブル断面を示す図である。冷媒通過部を往路１０１Ａと復路１０１Ｂの２つに分ける。冷媒通過部の往路１０１Ａと復路１０１Ｂの間には、分離パイプ１０９が設けられている。

かかる構成により、一般には、流路を作るパイプの壁面積が増えるので、通常、圧力損は増大する。そして、不図示の冷凍機から供給される、温度の低いスラッシュ窒素は、往路１０１Ａとして、パイプの中心部に流す。ここでは、窒素の氷を含んでいるため、冷媒の平均密度は高い。一方、復路１０１Ｂは、冷媒が直接、超伝導線材に接触できるようにする。この結果、外部からの熱侵入によって、窒素の氷が融けて、冷媒の密度が下がる。

冷媒をケーブルに供給する冷却ステーションはある距離毎に設置する必要があり、例えば20km毎に設置する。地面の高低差が発生するので、冷却ステーションはそれぞれ高地に設置される。図１８は、冷媒ステーションの配置を示す模式図である。冷却ステーションＡから伸びる超伝導ケーブルＡと冷却ステーションＢから伸びる超伝導ケーブルＢは、ケーブルが通る低地で接続を行う（接続部）。そして、電流は、冷却ステーションを通じて流れていくが、それぞれの冷却ステーションＡ、Ｂからケーブルの冷却往路に入った冷媒は、接続部で折り返し、復路を通って送り出された元の冷却ステーションに戻っていく。

図１９は、図１８の接続部の構造を示す図である。密度の高い窒素の氷を多く含んだ冷媒は、冷却ステーションから、自重で下に落ちていく。一方、熱侵入によって窒素氷が溶けた温度の高い冷媒は、密度が低いので、浮力が働くと同時に、落ちてくる冷媒に押されて元の冷却ステーションに戻っていく。したがって、冷媒を循環させる動力が低減できる。

このような構成はサイホン原理も利用できるので、冷却ステーションより少し高い場所が途中にあっても、最終的に、接続部が冷却ステーションより低地にあれば循環する。また、何らかの事故などで大きな熱侵入があると、まず復路の冷媒に熱が入る。そして、それから気体が発生しても、浮力によってやはり元の冷却ステーションに戻っていくので、固有の安全性がある。

図１９を参照すると、真空断熱を行う外側パイプの内側に低温のベローズ管１１０５が設けられ、その内側には、図１７に断面図として示したような、超伝導素線などが入っている。そして、接続を行うために、フィードスルー１（１１１０）が端部ストレート管（内側パイプ）に接続され、フィードスルー１（１１１０）のピンに超伝導素線がそれぞれ接続されている。そして、両側のフィードスルー１（１１１０）のピンは接続線１１２０を通じて電気的に接続されている。そして、力学的には接続金具１１１２でしっかりと２つの内側パイプ１１０６は接続されている。一方、冷媒は、ケーブル中心の往路１１０１Ａから接続部にそれぞれ向かって流れ、このような端部構造を取ると折り返す。そして、復路１１０１Ｂは、元の冷却ステーションに戻っていく。なお、図１９における、矢線は冷媒流の方向を示している。

図２０は、冷却ステーションでの冷媒導入部の構成を示す図である。冷媒導入系はケーブルの往路１２０１Ａに、直接つながり、復路１２０１Ｂからは内側パイプ１２０６全体に接続されるような構成とされている。なお、冷媒が入り込むときには、接続を行いやすくするために、好ましくはベローズ管１２２３が用いられる。工作（設置）・作業を容易とする。循環して帰ってきた冷媒と熱交換を行わないようにするために、ベローズ管１２２３を２重にして真空層を設けたり、断熱材をベローズ管１２２３に張るようにしてもよい。

図２１は、本発明の別の実施例のパイプの断面構成を示す図である。図２１には、自然循環を行うパイプ構造として、図１７とは別の構成が示されている。冷媒通過部の往路１０１Ａは、超伝導素線を巻き付けるフォーマーの内側に流し、冷媒通過部の復路１０１Ｂは、超伝導素線からなる導体部１０２の外に流すようにする。冷媒通過部の復路１０１Ｂの外側に電気絶縁部１０３を設置する。このようにすると、超伝導導体部１０２は、内側からも外側からも冷却が行われ、外部からの熱侵入は、最初に復路１０１Ｂの冷媒に入るので、超伝導状態をより安定に保つことができる。また、冷媒通過部の往路１０１Ａと復路１０１Ｂの分離も、より確実になる。

以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施例の構成にのみ限定されず、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の一実施例のパイプの断面を示す図である。 方向性珪素鋼板の磁気特性の一例を示す図である。 強磁性材料の磁気特性を模式的に示す図である。 （A）、（B）は本発明の一実施例の外部パイプの構成を示す図である。 （A）、（B）は本発明の他の実施例のパイプの断面を示す図である。 本発明の一実施例における共同溝等への設置例を説明する図である。 本発明の一実施例におけるケーブル支持構造を示す図である。 本発明の一実施例における単芯超伝導ケーブルによる送電ケーブル構成を示す図である。 本発明の他の実施例における単芯超伝導ケーブルによる送電ケーブル構成を示す図である。 本発明の他の実施例の同軸ケーブル構造の断面を示す図である。 （A）、（B）、（C）は、本発明の他の実施例の同軸ケーブル用強磁性体構造の正面、側面、複数のリングの接続構造を示す図である。 本発明の一実施例における常温端部の構成を示す図である。 本発明の他の実施例における常温端部の構成を示す図である。 本発明の一実施例におけるフィードスルー２の構成を示す図である。 本発明の他の実施例におけるフィードスルー２の構成を示す図である。 本発明の他の実施例におけるフィードスルー２の全体構成を示す図である。 本発明のさらに別の実施例のケーブル構造の断面を示す図である。 本発明のさらに別の実施例における冷却ステーションの配置形態を示す図である。 図１８のケーブル接続部の構成を示す図である。 冷媒導入部の構成を示す図である。 本発明のさらに別の実施例のケーブル構造の断面を示す図である。

符号の説明

１０１ 冷媒通過部
１０１Ａ 冷媒通過部（往路）
１０１Ｂ 冷媒通過部（復路）
１０２ 超伝導導体部
１０３ 電気絶縁部
１０４ 真空断熱部
１０５ 内部パイプ（内側パイプ）
１０６ 外部パイプ（外部パイプ１）
１０７ 外部パイプ２
１０８ クッション部
２０１ 超伝導ケーブル
２０２ 磁気シールド用鋼板
３０１ 直管部
３０２ 電線管支持部
３０３ ベローズ管部
４０１ 超伝導ケーブル１
４０２ 超伝導ケーブル２
４０３ 銅ケーブル
４０４ 電源１
４０５ 電源２
４０６ インバータ１
４０７ インバータ２
５０１ 冷媒通過部
５０２ 超伝導導体部＋
５０３ 電気絶縁部１
５０４ 強磁性体部
５０５ 超伝導導体部−
５０６ 電気絶縁部２
５０７ 外部冷媒通過部
５０８ 真空断熱部
５０９ 内部パイプ
５１０ 外部パイプ
６０１ 冷媒
６０２ フオーマー
６０３ 超伝導素線
６０４ 電気絶縁層
６０５ ベローズ管
６０６ 内部パイプ
６０７ フランジ
６０８ 電気絶縁パイプ（セラミックブレーク）
６０９ フランジ取り付け
６１０ フィードスルー１
６１２ 留具
６１３ フランジ取り付け
６１４ フィードスルー２
６１５ 外側パイプ（ステンレス管部）
６１６ 作業ホール
６１７ 熱電半導体
６１８ フランジ
６１９ 外側パイプ（鉄管部）
７０１ 冷媒
７０２ フオーマー
７０３ 超伝導素線
７０４ 電気絶縁層
７０５ ベローズ管
７０６ 内部パイプ
７０８ 電気絶縁パイプ（セラミックブレーク）
７０９ フランジ取り付け
７１０ フィードスルー１
７１２ 留具
７１３ フランジ取り付け
７１４ フィードスルー２
７１５ 外側パイプ（ステンレス管部）
７１６ 作業ホール
７１７ 熱電半導体
７１８ フランジ
７１９ 外側パイプ（鉄管部）
８０１ 電極１
８０２ 電極２
８０３ セラミック板
８０４ FRP板
８０５ フィン
９０１ 電極１
９０２ 電極２
９０３ 電極３
９０４ FRP板
９０５ フィン
９０６ セラミック板
９０７ FRP板−２
９０８ 熱電半導体
９１０ 銅リード
１００１ 電極１
１００２ 電極２
１００３ 電極３
１００４ FRP板
１００５ セラミック板
１００６ FRP板−２
１００７ 熱電半導体
１０１０ 銅リード
１１０１Ａ 冷媒（往路）
１１０１Ｂ 冷媒（復路）
１１０２ フオーマー
１１０３ 超伝導素線
１１０４ 電気絶縁層
１１０５ ベローズ管
１１０６ 内部パイプ
１１１０ フィードスルー１
１１１２ 留具
１１１５ 外側パイプ（ステンレス管部）
１１１６ 作業ホール
１１１８ フランジ
１１１９ 外側パイプ（鉄管部）
１１２０ 接続線
１１２１ 接続金具
１１２２ フランジ取り付け
１２０１Ａ 冷媒（往路）
１２０１Ｂ 冷媒（復路）
１２０２ フオーマー
１２０３ 超伝導素線
１２０４ 電気絶縁層
１２０５ ベローズ管
１２０６ 内部パイプ
１２０７Ａ、１２０７Ｂ フランジ部
１２０８Ａ、１２０８Ｂ 電気絶縁パイプ
１２１０ フィードスルー１
１２１２ 留具
１２１５ 外側パイプ（ステンレス管部）
１２１６ 作業ホール
１２１８ フランジ
１２１９ 外側パイプ（鉄管部）
１２２０ 接続線
１２２２ フランジ取り付け
１２２３ ベローズ管

Claims (31)

1. 超伝導導体部を内側に収容する第１のパイプと、
   前記第１のパイプの外側に配設される第２のパイプと、
   を少なくとも備え、
   前記第１のパイプと前記第２のパイプとの間に真空断熱部が設けられ、
   前記第２のパイプは強磁性材料からなる超伝導送電ケーブルからなる第１、第２の超伝導ケーブルを備え、
   前記第１の超伝導ケーブルは、一端が第１の電源の正極に接続され、
   前記第２の超伝導ケーブルは、一端が第２の電源の負極に接続され、
   一端が前記第１の電源の負極と前記第２の電源の正極の接続点に接続された銅ケーブルと、
   前記第１の超伝導ケーブルの他端と前記銅ケーブルの他端の間に接続された第１のインバータと、
   前記第２の超伝導ケーブルの他端と前記銅ケーブルの他端の間に接続された第２のインバータと、
   を備え、前記第１、第２のインバータと前記銅ケーブルの他端の接続点は接地され、
   前記第１、第２のインバータから交流出力される、ことを特徴とする超伝導送電ケーブルシステム。
2. 前記第１のパイプは、内側から順に、冷媒通過部、前記超伝導導体、及び電気絶縁部を収容する、ことを特徴とする請求項１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
3. 前記第２のパイプは鉄管である、ことを特徴とする請求項１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
4. 前記第１のパイプと前記第２のパイプとの間の真空断熱部に、アルミニウムが被着された複数のシートよりなるインシュレータ部材を備える、ことを特徴とする請求項１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
5. 前記超伝導導体部は、フォーマーにテープ線材が巻きつけられている、ことを特徴とする請求項１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
6. 前記第２のパイプは、真空断熱と、磁気エネルギーの保持の機能を担うことを特徴とする請求項１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
7. 前記第２のパイプは、前記第１のパイプを真空断熱部を介して収容する一のパイプと、前記一のパイプを内側に収容する別のパイプとを少なくとも含む、ことを特徴とする請求項１又は２記載の超伝導送電ケーブルシステム。
8. 前記一のパイプは真空気密保持用であり、前記別のパイプは磁気エネルギー保持用である、ことを特徴とする請求項７記載の超伝導送電ケーブルシステム。
9. 前記一のパイプと前記別のパイプの間隙にクッション材を備えている、ことを特徴とする請求項７又は８記載の超伝導送電ケーブルシステム。
10. 請求項１乃至９のいずれか一に記載の前記超伝導送電ケーブルの設置場所に磁気シールド部材を備えている、ことを特徴とする超伝導送電ケーブルシステム。
11. 対向する前記超伝導送電ケーブルの直管部端部はベローズ管で接続され、
    前記超伝導送電ケーブルの直管部は、少なくとも互いに離間した複数箇所で固定支持されている、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一に記載の超伝導送電ケーブルシステム。
12. 前記第１の電源と並列に接続されオン・オフ制御される第１のスイッチと、
    前記第２の電源と並列に接続されオン・オフ制御される第２のスイッチと、
    前記第１のインバータの出力を受け該出力を交流出力とダミー出力のいずれかに切り替え接続する第１の切替スイッチと、
    前記第２のインバータの出力を受け該出力を交流出力とダミー出力のいずれかに切り替え接続する第２の切替スイッチと、
    を備えている、ことを特徴とする請求項１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
13. 前記第１のパイプが、内側から順に、第１の冷媒通過部と、第１の超伝導導体部と、第１の電気絶縁部と、強磁性体部と、電流の向きが前記第１の超伝導導体部と逆の第２の超伝導導体部と、第２の電気絶縁部と、第２の冷媒通過部と、を収容している、ことを特徴とする請求項１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
14. 前記強磁性体部は、前記第１のパイプの長手方向に沿って配設される、複数の強磁性体リングよりなる、ことを特徴とする請求項１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
15. 前記複数の強磁性体リングは、相隣るリング同士が接続線で接続されている、ことを特徴とする請求項１４記載の超伝導送電ケーブルシステム。
16. 前記第１のパイプがベローズ管を含む、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一に記載の超伝導送電ケーブルシステム。
17. 請求項１乃至９のいずれか一に記載の前記超伝導送電ケーブルの常温端部において、
    前記超伝導導体部をなす超伝導素線は、リードを介して真空シールと電気絶縁を行う第１のフィードスルーに接続され、
    前記第１のフィードスルーからリードを介して、真空と大気側間の第２のフィードスルーに接続され、
    前記第２のフィードスルーには、熱電変換素子が接続されおり、熱侵入を低減し、
    前記第２のフィードスルーからケーブルにて外部の電源に接続される、ことを特徴とする超伝導送電ケーブルシステム。
18. 前記第２のパイプは、前記第２のフィードスルーを配設するフランジ取り付け部側でステンレス管よりなり、前記第１のパイプを囲繞する部分が鉄管よりなり、前記ステンレス管と前記鉄管とが接続部で接続されている、ことを特徴とする請求項１７記載の超伝導送電ケーブルシステム。
19. 冷媒流の流入用の管及び流出用の管が、常温端部をなす前記第２のパイプ端部の前記ステンレス管部に設けられ、電気絶縁パイプを介して、前記第１のパイプに接続されることを特徴とする請求項１７又は１８記載の超伝導送電ケーブルシステム。
20. 前記第２のフィードスルーは、
    真空側に設けられ、前記熱電変換素子が搭載される第１の電極と、
    前記第１の電極を支持する電気的に絶縁性の第１の絶縁板と、
    前記第１の絶縁板を前記第１の電極と挟み、常温大気側の電源にケーブルで接続される第２の電極と、
    前記第２の電極を保持する電気的に絶縁性の第２の絶縁板と、
    を備えている、ことを特徴とする請求項１７記載の超伝導送電ケーブルシステム。
21. 前記第２のフィードスルーは、
    真空側に設けられ、前記熱電変換素子の一側に接続される第１の電極と、
    真空側に設けられ、前記熱電変換素子の他側に接続され、電流リードに接続される第３の電極と、
    前記第１、第３の電極を支持する電気的に絶縁性の第１、第３の絶縁板と、
    前記第１の絶縁板を前記第１の電極と挟み、常温待機側の電源にケーブルで接続される第２の電極と、
    前記第２の電極を保持する電気的に絶縁性の第２の絶縁板と、
    を備えている、ことを特徴とする請求項１７記載の超伝導送電ケーブルシステム。
22. 前記第２の電極にフィンが配設されている、ことを特徴とする請求項２０又は２１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
23. 前記第１の絶縁板がセラミック板よりなることを特徴とする請求項２０又は２１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
24. 前記第２の絶縁板がFRP板よりなることを特徴とする請求項２０又は２１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
25. 前記第３の絶縁板がFRP板よりなることを特徴とする請求項２１記載の超伝導送電ケーブルシステム。
26. 前記第１のパイプは、内側から順に、冷媒通過部、前記超伝導導体、及び電気絶縁部を収容し、前記冷媒通過部として、冷媒通過部往路を内側に備え、外側に冷媒通過部復路が設けられ、前記冷媒通過部往路と前記冷媒通過部復路とが互いに分離されている、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の超伝導送電ケーブルシステム。
27. 前記冷媒通過部往路と前記冷媒通過部復路との間に、前記冷媒通過部往路と前記冷媒通過部復路を分離するパイプを備えている、ことを特徴とする請求項２６記載の超伝導送電ケーブルシステム。
28. 前記第１のパイプは、内側から順に、冷媒通過部往路、前記超伝導導体、冷媒通過部復路、及び電気絶縁部を収容している、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の超伝導送電ケーブルシステム。
29. 請求項１乃至６、２６乃至２８のいずれか一に記載の前記各超伝導送電ケーブルに冷媒を供給する冷却ステーションを備え、
    前記冷却ステーションから延在して敷設された一の前記超伝導送電ケーブルを他の前記超伝導送電ケーブルに接続する接続部を、前記冷却ステーションの配置場所の高さよりも低く設けてなる、ことを特徴とする超伝導送電ケーブルシステム。
30. 請求項２６乃至２８のいずれか一に記載の前記各超伝導送電ケーブルに冷媒を供給する冷却ステーションを備え、
    前記冷却ステーションから延在して敷設された一の前記超伝導送電ケーブルを他の前記超伝導送電ケーブルに接続する接続部を、前記冷却ステーションの配置場所の高さよりも低く設け、
    前記冷却ステーションが、一の前記超伝導送電ケーブルの冷媒通過部往路に冷媒を供給し、前記冷媒は前記接続部にて折り返し、一の前記超伝導送電ケーブルの冷媒通過部復路を通って前記冷却ステーションに戻る、構成とされてなる、ことを特徴とする超伝導送電ケーブルシステム。
31. 請求項１乃至１７、２６乃至３０のいずれか一に記載の超伝導送電ケーブル装置を備えた送電システム。

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