JP5604213B2 - 超電導機器 - Google Patents
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Description
≪実施形態1≫
[全体構成]
超電導ケーブル1は、複数心(ここでは3心)のケーブルコア10が撚り合わされて一つの断熱管20に収納された、多心一括型の直流ケーブルである。ケーブルコア10は、超電導線材から構成された内側超電導層12及び外側超電導層14とを具える。超電導線材は、基板121(図2)上に、希土類元素を含む酸化物からなる超電導相122(図2)を具える薄膜線材120である。超電導ケーブル1の特徴とするところは、内側超電導層12を構成する超電導線材に主として印加される磁場が当該超電導線材の長手方向に実質的に平行な磁場(軸方向磁場)である軸方向磁場印加層となっている点にある。以下、各構成をより詳細に説明する。
断熱管20は、内管21と外管22とからなる二重構造管であり、内管21と外管22との間が真空引きされた真空断熱構造である。内管21内には、液体窒素といった冷媒が充填され、この冷媒によりケーブルコア10の内側超電導層12及び外側超電導層14が冷却されて、超電導状態に維持される。内管21と外管22との間には、スーパーインシュレーションといった断熱材23や、両管21,22の間隔を保持するスペーサ(図示せず)が配置される。外管22の外周には、ポリ塩化ビニルといった耐食性に優れる材料を押出して形成した防食層24を具える。
各ケーブルコア10は、中心から順にフォーマ11、内側超電導層12、電気絶縁層13、外側超電導層14、常電導層15、保護層(図示せず)を具える。
フォーマ11は、内側超電導層12の支持体として機能する他、超電導ケーブル1では、短絡や地絡などの事故時に瞬間的に生じる大きな事故電流を分流するための流路に利用される。フォーマ11には、銅やアルミニウムなどの常電導材料にて形成された中実体や中空体(管体)を利用することができる。ここでは、フォーマ11は、ポリ塩化ビニル(PVC)やエナメルなどの絶縁被覆を具える銅線を複数本撚り合わせて構成された中実体としている。撚り線構造であることで、曲げ特性に優れ、超電導ケーブル1を交流送電に利用する場合、渦電流損を低減できる。
内側超電導層12及び外側超電導層14は、薄膜線材120を単層又は多層に螺旋状に巻回することで構成される。1心のケーブルコア10に具える内側超電導層12は往路導体、外側超電導層14は接地されて帰路導体に利用され、1心のケーブルコア10で1回線の直流線路を構築できる。この例に示すように一つの断熱管20に複数心のケーブルコア10を具える場合、複数回線(ここでは、3回線)の直流線路を構築できる。
電気絶縁層13は、上記内側超電導層12の上に、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙などの絶縁性テープを巻回することで形成される。内側超電導層12の直上に、カーボン紙や金属化紙などを巻回して内側半導電層を設けたり、上記絶縁性テープの巻回層の直上に、カーボン紙や金属化紙などを巻回して外側半導電層を設けたりすることができる。電気絶縁層13は、上記半導電層を具える形態とすることができる。
外側超電導層14(或いは常電導層15)の外周に、外側超電導層14を機械的に保護するための保護層を具える。保護層は、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙、布テープなどの絶縁性テープを巻回することで形成することができる。また、保護層は、ケーブルコア10が常電導層15を具える場合、常電導層15と断熱管20(内管21)との間の絶縁層としても機能する。
そして、内側超電導層12及び外側超電導層14は、通電時、内側超電導層12を構成する超電導線材に主として印加される磁場の向きが当該超電導線材の長手方向に実質的に平行になるように、即ち、主たる印加磁場が軸方向磁場となるように設けられている。即ち、内側超電導層12は、軸方向磁場印加層である。
実施形態1の超電導ケーブルに大電流(ここでは10kA)を通電したときの臨界電流の維持率をシミュレーションにより調べた。この試験の対象とした、実施形態1の超電導ケーブルの仕様を表1に示す。
平行磁場Br:(当該超電導線材層及びその下層に存在する全ての超電導線材層のIopの総和)/[(当該超電導線材層の直下層の外径)×π]
軸方向磁場Ba:当該超電導線材層及びその上層に存在する各超電導線材層に対して、μ0×{(各超電導線材層のIop)/(各超電導線材層のピッチ)}の総和
合成磁場B:{(Br)2+(Ba)2}1/2
臨界電流値Icb:各超電導線材層のIcに対して、通電時に発生する合成磁場Bが印加された場合の臨界電流の維持率を図4に示すデータ(YBCO,77K)から算出することにより求めた臨界電流値。なお、実施形態1の超電導ケーブルの内側超電導層では、軸方向磁場に対するIcb/Ic特性からIcbを求め、比較の超電導ケーブルの内側超電導層では、平行方向磁場に対するIcb/Ic特性からIcbを求めた。
線材の配置角度θw:arctan{π×(当該超電導線材層の直下層の外径)/(当該超電導線材層のピッチ)}/(180°/π)
磁場の角度θm:arctan{(平行磁場Br)/(軸方向磁場Ba)}/(180°/π)
上記超電導ケーブル1は、内側超電導層12を構成する超電導線材の主たる印加磁場が平行磁場ではなく、軸方向磁場であることで、上記試験例に示すように、5kA以上、更に10kA以上といった大電流が流された場合でも、臨界電流の低下を抑制し、臨界電流の維持率を高く保持することができる。また、上記試験例の比較の超電導ケーブルのような主たる印加磁場が平行磁場である超電導ケーブルと同程度の負荷率の超電導ケーブルを得る場合、内側超電導層12が軸方向磁場印加層である形態とすることで、内側超電導層12に使用する超電導線材の本数を低減することができる。
上記実施形態1では、直流超電導ケーブルの形態を説明したが、内側超電導層が軸方向磁場印加層である別の超電導機器として、例えば、交流超電導ケーブルが挙げられる。この形態では、内側超電導層を超電導導体層、外側超電導層を超電導シールド層に利用するとよい。
上記実施形態1では、内側超電導層12及び外側超電導層14の双方が多層の超電導線材層により構成された形態を説明した。その他、いずれの超電導層も単層の超電導線材層により構成された形態とすることができる。この場合、内側超電導層を構成する超電導線材に印加される主たる磁場の向きが、当該超電導線材の長手方向に実質的に平行になるようにするには、(1)当該超電導線材の巻回方向と外側超電導層を構成する超電導線材の巻回方向とを異ならせる、(2)Pin×Pout=(π×din)2を満たすピッチ構成にする(Pin及びPoutは、内側超電導層及び外側超電導層のピッチ、dinは内側超電導層の直径とする)、とよい。但し、上述した実施形態1のように、両超電導層とも多層構造の超電導線材層により構成された形態であると、ケーブル径を小さくし易い。
上記実施形態1では、多心一括型の形態を説明したが、1心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した単心型、2心又は4心以上の複数心のケーブルコアを一つの断熱管に収納した多心一括型とすることができる。一つの断熱管に収納されるケーブルコアの数は特に問わない。実施形態1を含む多心一括型の形態では、複数心のケーブルコアを尤度を持って撚り合せることで、ケーブルコアの構成部材が冷媒により冷却されて熱収縮するとき、この収縮の吸収代を確保できる。
上記実施形態1では、超電導線材として、RE系超電導線材を用いた形態を説明したが、超電導線材として、Bi2223といったBi系酸化物超電導相を金属内に具えるBi系超電導線材、例えば、DI-BSCCO(住友電気工業株式会社の登録商標)を利用することができる。この場合、図3(II)に示すように、通電電流値が大きく磁場が大きい場合、具体的には磁場が1T以上といった場合では、超電導線材に主として加わる磁場が平行磁場であるときの臨界電流(白抜き図形)に対して、軸方向磁場であるときの臨界電流(黒塗り図形)が1割〜2割程度大きいことが分かる。従って、Bi系超電導線材を利用した場合も、軸方向磁場印加層を具える形態とすることで、大電流が流される用途であっても、臨界電流の低下を抑制し、臨界電流の維持率を高く保持することができる。
10 ケーブルコア 11 フォーマ 12 内側超電導層 13 電気絶縁層
14 外側超電導層 15 常電導層
20 断熱管 21 内管 22 外管 23 断熱材 24 防食層
120 薄膜線材 121 基板 122 超電導相 123 安定化層
125 層間絶縁層
Claims (7)
- 酸化物からなる超電導相を金属内或いは基板上に具えた超電導線材を巻回してなる超電導層を具える超電導機器であって、
前記超電導線材に通電したときに当該超電導線材に加わる主たる磁場の向きが当該超電導線材の長手方向に実質的に平行になるように前記超電導線材が巻回された軸方向磁場印加層を具え、
前記超電導機器は、内側超電導層と、前記内側超電導層の外周に設けられた電気絶縁層と、前記電気絶縁層の外周に設けられた外側超電導層とを具える超電導ケーブルであり、
前記内側超電導層は、前記軸方向磁場印加層であり、
前記各超電導層は、前記超電導線材を所定のピッチで、かつ異なる巻回方向で螺旋状に巻回して構成され、
前記内側超電導層を構成する前記超電導線材のピッチは、前記螺旋の軸に対する当該超電導線材の配置角度をθw、前記螺旋の軸に対する当該超電導線材に加わる主たる磁場の角度をθmとするとき、前記配置角度θwと前記磁場の角度θmとの差が40°以内となるように設けられている超電導機器。 - 前記内側超電導層は、前記超電導線材からなる層を多層に積層して設けられ、内側の超電導線材層を構成する超電導線材のピッチよりも外側の超電導線材層を構成する超電導線材のピッチが小さい請求項1に記載の超電導機器。
- 前記超電導線材は、希土類元素を含む酸化物からなる超電導相を基板上に具える請求項1又は2に記載の超電導機器。
- 前記基板上に具える前記超電導相は、CVD法、レーザ蒸着法、及びMOD法から選択される1種により形成されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の超電導機器。
- 前記超電導機器は、直流超電導ケーブルである請求項1〜4のいずれか1項に記載の超電導機器。
- 前記超電導機器は、交流超電導ケーブルである請求項1〜4のいずれか1項に記載の超電導機器。
- 前記軸方向磁場印加層に通電される電流値が10kA以上である請求項1〜6のいずれか1項に記載の超電導機器。
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