JP5632152B2 - 超伝導ケーブルを備える装置 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導導体と、誘電体を介して同心状に該超伝導導体を囲む超伝導スクリーンとからなる超伝導ケーブルであって、その間が真空断熱され、相互に同心状に構成された２本の金属管からなる、クライオスタットによって、冷媒を運ぶための空間とともに囲まれた、超伝導ケーブルを備える装置に関する（特許文献１）。

現在の技術において、超伝導ケーブルは、十分に低い温度で超伝導状態に変化するセラミック材料を含む、合成材料からなる電気導体を有する。十分に冷却すれば、このように構成された導体の電気的な直流抵抗は、特定の電流強度を越えない限りゼロである。適切なセラミック材料は、たとえば、ＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅酸化物）またはＢｉＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）である。このような材料を超伝導状態に変化させるのに十分に低い温度は、たとえば、６７Ｋから１１０Ｋの範囲である。適切な冷媒は、たとえば、窒素、ヘリウム、ネオン及び水素またはこれらの物質の混合物である。

上述の特許文献１の装置において、低温誘電体を備えた超伝導ケーブルが使用される。超伝導ケーブルは、管状の支持体上に設置された内側導体、及びそれと同心状に配置されたスクリーンからなる。内側導体及びスクリーンは、誘電体（絶縁体）によって、互いに所定の距離、離されて保持される。内側導体及びスクリーンは、たとえば、長いピッチで支持体の周りに巻かれ、互いに密な状態である、ＹＢＣＯまたはＢｉＳＣＣＯのような超伝導材料の帯からなる。この公知の超伝導ケーブルは、障害のない動作中に、超伝導スクリーンが、超伝導導体の磁界を遮蔽するように構成されている。短絡の場合には、ケーブルのインピーダンスは不十分にしか変化しない。短絡は、正確には、ケーブルの導体及びスクリーンの両方に、大量のエネルギを導入し、ケーブルの破壊（バーンアウト）に至ることもある。

ＷＯ０３／０５２７７５Ａ１

本発明は、短絡の影響が大幅に低減されるように、技術分野に記載した装置を設計するという目的に基づいている。

本発明によれば、この目的は、該超伝導スクリーンは、通常の伝導状態における、その電気抵抗値が、通常の伝導状態における、該超伝導導体に使用される材料の電気抵抗値よりも少なくとも５０倍大きい材料からなることによって達成される。

短絡が生じた場合に、ケーブルに導入されるエネルギは、温度増加につながる。この温度増加及び、定格電流よりも大きな短絡電流は、導体及びスクリーンの超伝導材料を、超伝導状態から通常の伝導状態へ変化させる。高い電気抵抗値のために、スクリーンは、わずかな電流しか搬送せず、その結果、スクリーンは、その遮蔽効果を失う。このように、導体の磁界は、事実上インピーダンスなしに伝播することが可能となる。これは、導体のインダクタンスの大幅な増加、すなわち、電気インピーダンスの増加をもたらす。それゆえに、導体を通って流れる短絡電流は、顕著に、かつ急速に制限される。それに応じて、公知のケーブルにおいて、大きな短絡電流の結果として生じる加熱は低減される。

短絡電流を制限する効果は、スクリーンの外側に強磁性材料からなる層をさらに取り付けることによって増強することができる。

このような層に使用することのできる強磁性材料は、１０より大きな比透磁率μ_rを有する全ての物質である。短絡の場合に、スクリーンの外側に配置された強磁性材料の層は、ケーブルの導体によって生成された磁界に入り、導体のインダクタンスのさらなる増加、すなわち、電気インピーダンスのさらなる増加を引き起こす。強磁性材料からなる層のこの効果は、超伝導ケーブルが交流ケーブルである場合に、強磁性材料の層で起こる再磁化損失によってさらに増強される。さらに、強磁性材料は、ケーブルの導体の磁界を外側において遮蔽する。したがって、クライオスタットの外側に設置される装置に対して、電磁的な外乱はほとんど生じない。さらに、周辺において他のケーブル・フェーズに作用する力は減少される。

強磁性材料の層は、クライオスタットの外側の周囲に配置ことができる。この場合に、有利には、クライオスタットの外側の管が、それ自体、強磁性材料からなってもよい。高い比透磁率μ_rを備えた材料を強磁性材料として使用するのが好ましい。短絡の場合における好ましいケーブルの応答によって、高ヒステリシス損失の材料ばかりではなく低ヒステリシス損失の材料も使用することができる。全ての金属材料と同様に、強磁性材料の層は、また、導電性である。したがって、強磁性材料の層は、ケーブルの導体から生じうる交流磁界の影響の下で、磁気ヒステリシス及び渦電流によって加熱されうる。しかし、装置の好ましい実施形態において、この加熱は、クライオスタットの外側で起こり、その結果、ケーブル自体及び冷媒はそれによって加熱されない。加熱が少ないために、冷却時間は減少され、その結果、ケーブルは、より速く使用可能となる。加熱が低減されるので、装置の種々のコンポーネントの機械的な負荷も低減される。短絡電流が低減されたことにより、小さな冷却パワーしか要求されないので、本装置のこの好ましい実施形態において、冷却システムの構成も簡単にすることができる。

強磁性材料の層として、非常に低いヒステリシス損失の材料が使用されると、該層は、ケーブルの導体によって生成される交流電磁界によって、不十分にしか過熱されない。このような材料は、有利には、高い比透磁率μ_rを有する。特に、このような材料を使用する場合には、強磁性材料の層は、クライオスタットの内側に配置してもよい。たとえば、強磁性材料の層が、ケーブルのスクリーンを直接囲んでもよい。ケーブルのこの実施形態において、クライオスタットの内側管は、強磁性材料からなってもよい。

本発明の主題の例示的な実施形態は、図面に示される。

本発明による装置の構成の概要を示す図である。 本発明による装置の異なった構成の概要を示す図である。 本発明による装置のさらに異なった構成の概要を示す図である。

図１によれば、装置は、超伝導ケーブルSKとそれを囲むクライオスタットKRを含む。クライオスタットKRは、装置の動作中に、たとえば窒素などの冷媒が、そこを通る空間FRをさらに囲む。

超伝導ケーブルSK は、超伝導導体１、超伝導導体１を囲み、絶縁体として機能する誘電体２及び誘電体２上に配置された超伝導スクリーン３を含む。

クライオスタットKRは、相互に同心に配置された２本の金属管４及び５から構成される。金属管４及び５は、好ましくは鋼からなり、クライオスタットKR の曲げやすさを増加させるために、長手方向に交差するように波形をつけてもよい。クライオスタットKR の内側管４及び外側管５の間には、公知の技術によって真空断熱６が適用される。

導体１及びスクリーン３は、超伝導材料を有する。適切に冷却すると、これらの超伝導材料は、ケーブルSKの動作中に超伝導状態に入る。しかし、導体１の材料とスクリーン３の材料は異なる。正確には、通常の伝導状態で、スクリーン３の材料は、導体１の材料よりも少なくとも５０倍大きな電気抵抗値を有する。

この目的にために、スクリーン３の大部分は、希土類元素でドープした酸化物超伝導材料から構成するのが有利である。そのような材料の一つは、ＲｅＢＣＯ (rare-earth barium-copper oxide、希土バリウム銅酸化物)という名で知られている。スクリーン３に使用されるのが好ましい材料の一つは、ＹＢＣＯである。

導体１は、ＢＳＳＣＯ及び、できる限り、銅からなる、電気的・機械的な安定剤から構成するのが有利である。ＢＳＳＣＯにおける銀の比率が高いので、通常の伝導状態において、導体１は、スクリーン３の電気抵抗値よりもかなり低い電気抵抗値を有する。この効果は、ReBCO、好ましくはYBCO及び銅の組み合わせが導体１に使用された場合にも達成することができる。

導体１と導体３の材料が異なるので、本発明による装置は、以下のように動作する。

短絡の場合に、ケーブルSKのスクリーン３は、その遮蔽機能を大幅に失う。ケーブルSK内の導体によって作られる磁界は、事実上、インピーダンスなしに伝播することができ、その結果、ただちに、導体１のインダクタンスを大幅に増加させる。すなわち、電気インピーダンスが増加する。このように、導体１を流れる短絡電流は、著しく、かつ急速に制限される。したがって、短絡電流によって引き起こされるケーブルSK及びその周囲の領域の加熱は、比較的低く維持され、その結果、短絡が修正された後、装置を冷却するためのエネルギ消費は比較的低い。

図２及び３に示すように、ケーブルSKは、スクリーン３の外側に配置された強磁性材料からなる層をさらに有してもよい。

図２に示すように、管の形で閉じており、強磁性材料からなる層７を、クライオスタットKRの外側管５の上に備え付ける。この層７は、装置の全長にわたり存在し、管５の周囲を完全に囲む。したがって、層７は、管の形で閉じたシースである。短絡の場合に、層７は、ケーブルSK内の導体１によって作られる磁界に入り、その結果、導体１のインダクタンスがさらに増加する。すなわち、導体１の電気インピーダンスがさらに増加する。上述の効果は、強磁性材料からなる層７によってさらに増加される。

超伝導ケーブルSKが交流ケーブルである場合には、層７内で生じうる再磁化損失によって、短絡電流を制限する効果はさらに強化される。

層７は、管５の周囲に端部を重ねながら巻かれる、強磁性材料の帯、たとえば、Magneperm（商標）から構成されてもよい。この材料は、５０Hzで比透磁率μ_r＝４５０，０００を有する。層７は、長手方向に伸びる重なり点を備え、管５を完全に囲む、このような材料の長手方向に連続する帯から製造することもできる。

強磁性材料の層の厚さは、０．１ｍｍより大きいのが有利である。強磁性材料の比透磁率μ_rは、１０より大きい。

一般に、強磁性材料は、高い比透磁率μ_rによって識別される。これとは無関係に、強磁性材料は、B-Hダイアグラム上の、囲まれた領域によって引き起こされるヒステリシス損失を有する。両方の変数は、使用される材料に依存する。μ_r及びヒステリシス損失の間の相関は存在しない。

図２に示す装置の修正した実施形態において、別のまたは追加の層７の代わりに、クライオスタットKR の外側管５自体が、たとえば、５０Hzで比透磁率μ_r＝１０００の鋼などの、強磁性材料からからなってもよい。少量の添加物を含むニッケル及び鉄の合金もまた適している。

重要なことは、強磁性材料の層が、短絡の場合に導体１の磁界内に存在するように、全ての実施形態において、強磁性材料の層を、超伝導スクリーン３の外側に、完全に閉じた層として配置することである。同様に、図３に示すように、強磁性材料の層は、クライオスタットKR の内側に配置され、たとえば、スクリーン３上の層８として付加されてもよい。上述のように、層８としては、短絡の場合に、不十分にしか過熱されないように、非常に低いヒステリシス損失を備えた材料を使用するのが有利である。層８は、スクリーン３と同じ電位に接続してもよい。別の層８の代わりに、図１と同様に、クライオスタットKR の内側管４は、強磁性材料から製造してもよい。装置のこの実施形態においても、クライオスタットKR の内側に強磁性材料が存在するので、図１による装置について記載したように、導体１を流れる短絡電流が制限される。

Claims (8)

1. 銅で安定化された超伝導導体と、誘電体を介して該超伝導導体を同心状に囲む超伝導スクリーンと、を備えた超伝導ケーブルを備える装置であって、該超伝導ケーブルは、冷媒を通過させる空間を囲むクライオスタットによって囲まれており、該クライオスタットは２本の金属管を有し、該２本の金属管は相互に同心状に構成され、該２本の金属管の間は真空断熱され、
   該超伝導スクリーンは、超伝導状態でない状態における電気抵抗値が、銅で安定化された該超伝導導体の超伝導状態でない状態における電気抵抗値よりも少なくとも５０倍大きい超伝導材料からなる装置。
2. 前記超伝導スクリーンは、希土類元素でドープした酸化物超伝導材料からなる請求項１に記載の装置。
3. 前記超伝導スクリーンは、ＹＢＣＯからなる請求項２に記載の装置。
4. 前記超伝導導体は、ＢＳＣＣＯからなる請求項１に記載の装置。
5. 前記超伝導導体は、ＹＢＣＯからなる請求項１に記載の装置。
6. 該超伝導ケーブルの全長にわたる該超伝導スクリーンの外側に、管状に閉じており、強磁性材料からなる層がさらに備わる請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記強磁性材料からなる層が、前記クライオスタットの外側管の外側に付加される請求項６に記載の装置。
8. 前記強磁性材料が、前記クライオスタットの内側に配置される請求項６に記載の装置。

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