JP4928565B2 - 超伝導ケーブル - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導ケーブルに係り、より詳しくは、正常状態の時においてフォーマに電流が流れることを極力抑制し、超伝導ケーブル内の極低温状態を安定して保持することができる超伝導ケーブルに関する。
超伝導体は、適切な条件下で電気抵抗が完全にゼロになる特性と磁場を排除する完全反磁性特性を持つ物質のことをいう。このような超伝導体は、近年に入って、医療、輸送、電子、電力、エネルギー、高エネルギー物理、機械分野などと各種の分野に応用されている。特に、超伝導体が適用された超伝導ケーブルは、既存の電力ケーブルに比べて、優れた送電効率特性及び同一電圧対比で５〜１０倍以上の優れた送電容量特性を持っていて既存の電力ケーブルに代わって使用されてきている。
現在商用化された超伝導ケーブルは、大きく超伝導体が備えられたコアと該コアを極低温状態に保持させる低温保持部との組み合わせから構成され、上記コアの超伝導体を介して電流が流れるようになる。このような超伝導ケーブルにおいて、優れた特性を確保するためには、渦電流の損失といった交流損失が最小化され、また超伝導ケーブル内の極低温状態が安定して保持される必要がある。
日本特開２００５−１００７７７号公報では、コアを構成するフォーマの外周面に複数の超伝導線材を巻回する形態の超伝導ケーブルが提案されており、短絡などの事故の際に超伝導層の温度上昇を抑制し、定常電流の通電時において交流損失を低減することをその効果としている。しかしながら、上記特許文献１で提案された超伝導ケーブルは、超伝導層に流れる電流によって生じた磁場がフォーマへ加えられ、該磁場によってフォーマに渦電流が発生し、該渦電流による交流損失が引き起こされるという問題点がある。
一方、超伝導ケーブルは、正常状態ではフォーマの抵抗が大きいため送電電流が超伝導導体層を介してのみ流れるように設計されているが、フォーマの抵抗が小さい場合、超伝導導体層のインピーダンスがフォーマのそれに比べて小さい必要があり、このためには、超伝導線材の撚りピッチを増大させなければならない。しかしながら、超伝導線材の撚りピッチを増大させると、超伝導ケーブルの曲げ特性が低下するという問題点がある。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、正常状態の時においてフォーマに電流が流れることを極力抑制し、超伝導ケーブル内の極低温状態を安定して保持することができる超伝導ケーブルを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明による超伝導ケーブルは、超伝導導体層などが設けられたフォーマ、及び上記フォーマの外側に設けられた低温保持部を備える超伝導ケーブルにおいて、上記フォーマは、複数本の金属ワイヤが巻線された巻線部と、該巻線部の外側面上に設けられ、該巻線部の軸方向に生じる磁場による渦電流を抑制する渦電流防止層とで構成され、上記金属ワイヤ及び渦電流防止層は、銅合金からなることを特徴とする。
ここで、上記銅合金は、銅−亜鉛合金であればよい。
また、本発明では、上記巻線部の中心部に沿って金属管が配設されており、上記金属管の内部が、冷媒が流れる冷媒流路と定義される。
上記冷媒流路の径は１０〜３０ｍｍの範囲であればよい。
本発明の超伝導ケーブルによれば、超伝導ケーブルのフォーマを構成するに際し、基本的にフォーマの構成物質を電気抵抗の高い物質から構成し、渦電流抑制層及び冷媒流路などを備えることによりフォーマの渦電流発生を抑制することで超伝導ケーブルの交流損失を最小化することができるという効果を奏する。
以下、図面を参照して本発明による超伝導ケーブルを詳しく説明することにする。図１は、本発明による超伝導ケーブルの断面構成図であり、図２は、本発明の第１の実施形態によるフォーマの断面構成図であり、図３は、本発明の第２の実施形態によるフォーマの断面構成図である。
図１に示したように、本発明による超伝導ケーブル１００は、大きく超伝導導体層１１１などが設けられたコア部１１０と、このコア部を取り囲んで該コア部１１０を極低温状態に保持する低温保持部１２０とを含む。
上記低温保持部１２０は、細部的に、内側金属シース（ｓｈｅａｔｈ）１２１と外側金属シース１２３を備え、上記内側金属シース１２１と外側金属シース１２３との間の空間は、対流熱と伝導熱を遮断するために真空状態に保持されることが好ましい。また、上記内側金属シース１２１と外側金属シース１２３との間には、外部からの輻射熱を遮断する役割を果たす多層構造のアルミニウムテープからなる熱絶縁テープ１２２が備えられる。
一方、上記低温保持部１２０によって定義される内部空間には、複数のコア部１１０が備えられ、上記コア部１１０は、前述したように超伝導現象を起こす超伝導導体層などを備える。上記コア部１１０の構造をより具体的に説明すれば、次のとおりである。
上記コア部１１０は、一例として、円形の断面形状を有してよく、中心部位にフォーマ２００が位置し、このフォーマ２００の外側に超伝導導体層１１１、絶縁層１１２及び超伝導シールド層１１３が順次に積層された構造を有する。
上記フォーマ２００は、本発明の各種の実施形態に応じて各種の構造にて実現できる。先ず、第１の実施形態によれば、図２に示したように上記フォーマ２００は、複数本の金属ワイヤ２１１が巻線された巻線部２１０と、この巻線部２１０の周りに沿って設けられた渦電流抑制層２２０とで構成され得る。上記巻線部２１０は、複数本の金属ワイヤ２１１が巻線された構造を有することで交流損失を低減し、渦電流による温度上昇を防止する役割を果たす。
上記渦電流抑制層２２０は、上記巻線部２１０による渦電流抑制に加えて、２次的に渦電流を抑制する役割を果たす。通常、フォーマ２００とフォーマの外側に超伝導導体層１１１を備える超伝導ケーブルには、上記超伝導導体層の通電する電流によってコア部１１０の軸方向に磁場が生じ、この磁場によって渦電流が発生するが、本発明によるフォーマ２００の構造において採択された上記渦電流抑制層２２０は、このような渦電流の発生を最終的に抑制する役割を果たす。
超伝導ケーブルの交流損失及び渦電流低減効率を増大するために、上記巻線部２１０の金属ワイヤ２１１及び渦電流抑制層２２０の構成材料は、電気抵抗が金属ワイヤに比べて相対的に高い物質が使用される必要があり、本発明では、銅合金の一例として、銅−亜鉛合金を提案する。
一方、本発明の第２の実施形態による上記フォーマ２００の構造では、図３に示したように中心部位に冷媒流路２３１を備える。上記冷媒流路２３１は、ステンレス鋼製の金属管２３０によってその空間が定義され得る。上記冷媒流路２３１には、液化窒素のような冷媒が流れて超伝導ケーブルの低温状態を保持することができる。上記冷媒流路２３１の径は、様々に変形実施することができるが、一例として、１０〜３０ｍｍ程度に構成すればよい。上記冷媒流路２３１を定義する金属管２３０の外側面上には、複数本の金属ワイヤ２１１が巻線された巻線部２１０と渦電流抑制層２２０が順次に積層される。上記巻線部２１０及び渦電流抑制層２２０は、上記第１の実施形態と同様に、交流損失の低減及び渦電流の発生を抑制する役割を果たし、また、その構成物質としては、銅−亜鉛合金のような銅合金を使用すればよい。本発明による第２の実施形態において、上記渦電流抑制層２２０と金属層との間に備えられる金属ワイヤ２１１は、巻線形態に限らず、別の形態で構成されてもよい。
超伝導ケーブルのフォーマ２００の構造が、上記のように巻線部２１０と渦電流抑制層２２０とで構成され、また、巻線部２１０の金属ワイヤ２１１及び渦電流抑制層２２０が、抵抗の大きい物質、例えば、銅−亜鉛合金などからなることによって、超伝導電流の通電時におけるフォーマ２００への電流の流入を極力抑制することができるようになる。また、一実施形態によれば、フォーマ２００の中心部位に冷媒流路２３１を備え、その内部を冷媒が流れるようにすることでフォーマ２００の温度上昇を抑制することができるようになる。
本発明の超伝導ケーブルによれば、超伝導ケーブルのフォーマを構成するに際し、基本的にフォーマの構成物質を電気抵抗の高い物質から構成し、渦電流抑制層及び冷媒流路などを備えることによりフォーマの渦電流発生を抑制することで超伝導ケーブルの交流損失を最小化することができるという効果を奏する。
Claims (3)
- 超伝導導体層で取り囲まれたフォーマ及び前記超伝導導体層の外側に設けられる低温保持部を備える超伝導ケーブルにおいて、
前記フォーマは、複数本の金属ワイヤが巻線された巻線部と、該巻線部の外側面上に設けられ、該巻線部の軸方向に生じる磁場による渦電流を抑制する渦電流防止層を含み、前記金属ワイヤ及び渦電流防止層は銅−亜鉛合金からなることを特徴とする超伝導ケーブル。 - 前記巻線部の中心部に沿って配設され、その内部を冷媒が流れる金属管を含むことを特徴とする請求項１に記載の超伝導ケーブル。
- 前記冷媒流路の径は１０〜３０ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の超伝導ケーブル。
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