JP5981414B2 - 超電導ケーブルの固定構造及び超電導ケーブル線路の固定構造 - Google Patents
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Description
また、特許文献1の固定構造では、弾性体とピンが直接導体に接続されていることから、高電圧の導体部分から接地されたケース部分間の沿面に存在する角部や突起部において電界が集中する。そのため、特許文献1の固定構造では、発生する電界集中を緩和できるような形状及び絶縁ユニットの絶縁設計が必要となる。
また、極低温用冷凍機のエネルギー消費効率(COP:Coefficient of Performance)は0.06程度と非常に低く、冷却のためのランニングコストである電気料金も膨大となることから、効率の改善が求められている。
更に、送電システムはインフラに関わる信頼性を要求されるシステムでもあり、定期的なメンテナンスが必要となる。従って、超電導送電システムにとって冷凍システムはイニシャルコストだけでなく、ランニングコストやメンテナンスコストも大きな負担となっている。
即ち、超電導ケーブルの敷設には、非常に大きなイニシャルコスト、ランニングコストとメンテナンスコストが必要となることから、これらコスト低減が望まれていた。
また、本発明は、イニシャルコスト、ランニングコスト及びメンテナンスコストの低減を図ることを他の目的とする。
フォーマと超電導導体層とを有するケーブルコアと、前記ケーブルコアを収容し、内管と外管からなる断熱構造を有する断熱管とを備える超電導ケーブルの固定構造であって、
前記断熱管と接続され、内壁と外壁からなる断熱構造を有し、前記ケーブルコアが貫通する固定ボックスと、
前記ケーブルコアを前記固定ボックスの内壁に固定する固定体とを有し、
前記固定ボックスの内壁の内側には冷媒が流通可能であり、
前記ケーブルコア上に形成され、両端部に向かって縮径した絶縁層である拡径補強層を有し、
前記ケーブルコアは、前記拡径補強層を介し前記固定体により前記内壁に固定されており、
前記ケーブルコアは、前記超電導導体層の外周に電気絶縁層を有し、前記固定ボックス内において、前記ケーブルコアは、前記電気絶縁層の接続部を有する中間接続部を有し、
前記中間接続部の前記電気絶縁層の接続部の外周には、前記中間接続部ではない部分の電気絶縁層の外径よりも大きな拡径補強絶縁層を有することを特徴とする。
前記固定体は前記拡径補強層の外周面形状に応じた形状のスリーブを有することを特徴とする。
前記ケーブルコアの前記拡径補強層の周囲に補強層を有し、
前記固定体は、前記補強層を介して前記拡径補強層を保持することを特徴とする。
前記ケーブルコアと前記固定体とを接着結合する結合部を設けたことを特徴とする。
前記拡径補強絶縁層は、前記中間接続部における2つのケーブルコアのテーパー状の電気絶縁層の間に積層された電気絶縁層と前記テーパー状と、前記電気絶縁層の間に積層された電気絶縁層の絶縁層のつなぎ目を覆うように積層されたことを特徴とする。
前記拡径補強絶縁層は、絶縁性紙類により巻回されていることを特徴する。
更に前記ケーブルコアを前記内壁に固定する補助固定体を少なくとも一つ有し、
前記補助固定体を、前記ケーブルコアの外周を保持する金属輪を介し棒状又はブロック状の固定金具で前記内壁に固定する構造とすることを特徴とする。
前記固定体を、前記ケーブルコアの外周を覆うスリーブを介し棒状又はブロック状の固定金具で前記内壁に固定する構造とすることを特徴とする。
前記固定体は、前記固定ボックスの内部領域を二分するように前記内壁に固定され、
前記固定ボックスには、前記固定体を挟んでその両側にそれぞれ一つ以上の冷媒流通孔が形成され、前記冷媒流通孔において前記内壁と前記外壁とが結合されていることを特徴とする。
前記冷媒流通孔に冷媒輸送管が接合されていることを特徴とする。
前記固定体を挟んでその両側に形成された前記冷媒流通孔同士が前記冷媒輸送管によって接続されていることを特徴とする。
請求項10に記載の固定構造を用いて複数の超電導ケーブルを固定する固定構造であって、
前記複数の超電導ケーブルは各々固定ボックスを有し、当該各固定ボックス同士が前記冷媒流通孔に接続された前記冷媒輸送管を介して接続されていることを特徴とする。
前記複数の固定ボックス内の冷媒は前記固定体を挟んで前記超電導ケーブルに沿って流通せず、前記冷媒流通孔に接続された前記冷媒輸送管を介して他の固定ボックスに流通する構造となっていることを特徴とする。
前記超電導ケーブルが平行に複数列配設されると共に、これら複数列の超電導ケーブルに循環冷却部が前記固定ボックスを介して一定の間隔で架設され、
前記循環冷却部は、
複数の前記超電導ケーブルの冷媒経路に連通する第一の冷媒経路と、
他の複数の前記超電導ケーブルの冷媒経路に連通する第二の冷媒経路と、
前記第一の冷媒経路内と前記第二の冷媒経路内で各々循環する冷媒を冷却する一台の冷凍機とを有し、
前記第一の冷媒経路と前記第二の冷媒経路とが、前記固定体を挟んでその両側に設けられた各々の前記冷媒流通孔を通じて前記固定ボックス間を接続することを特徴とする。
前記循環冷却部は、前記第一の冷媒経路と前記第二の冷媒経路のいずれか一方にのみ冷媒の循環ポンプを設けたことを特徴とする。
前記循環冷却部は、前記第一の冷媒経路と前記第二の冷媒経路のそれぞれについて、前記冷凍機の冷却部位に流入する流入経路と前記冷凍機を回避するバイパス経路とを備え、
前記流入経路と前記バイパス経路の冷媒の流量を調節して冷媒の温度制御を行うことを特徴とする。
前記循環冷却部の第一の冷媒経路及び第二の冷媒経路は、その前後で異なる列の超電導ケーブルに冷媒を導くことを特徴とする。
前記循環冷却部の第一の冷媒経路及び第二の冷媒経路は、その前後で同じ列の超電導ケーブル冷媒を導くことを特徴とする。
また、ケーブルコア上にその両端部に向かって縮径した拡径補強層を形成し、固定体が拡径補強層を介してケーブルコアを固定するので、ケーブルコアの周囲やその固定構造において角部や突起が少ない構造としたので、電界集中が生じにくく、絶縁性能が高い電界設計となっている。
さらに、固定ボックスの内壁と外壁とは、冷媒流通孔の位置において結合されているので、結合部位を最小限とし、結合部位から内部への熱侵入を低減することが可能となっている。
また、冷凍機の個体数を低減することにより、そのメンテナンスコストも飛躍的に低減することが可能である。
また、冷凍機を2台から1台にまとめることにより、モーター等の個数が半減するため、モーターの軸受け等における摩擦発熱による機械的損失が小さくなり、冷凍効率を向上させることができる。更に、冷却システムの設置スペース同一出力で比較すると約50%に抑えることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は実施形態に係る超電導ケーブルの固定構造を適用した超電導ケーブルの布設例を示す概略図、図2は布設される超電導ケーブルの一例を示す図である。
図1に示すように、超電導ケーブル10は、電力の供給元と供給先とに配設した終端接続部30、30の間を複数の超電導ケーブル10で接続し、超電導ケーブル10と超電導ケーブル10とが中間接続部15で連結されている。更に、終端接続部30、30の間には、固定構造としての中間固定部20を形成して、超電導ケーブル10を安定的に保持している。
図2に示す超電導ケーブル10は、断熱管12内に一心のケーブルコア11が収納された単心型の超電導ケーブルである。ケーブルコア11は、フォーマ111、超電導導体層112、電気絶縁層113、超電導シールド層114、常電導シールド層115、保護層116等により構成される。
超電導導体層112を構成する超電導線材は、例えば、テープ状の金属基板上に中間層、超電導層、保護層等が順に形成された積層構造を有している。超電導層を構成する超電導体には、液体窒素温度以上で超電導を示すRE系超電導体(RE:希土類元素)、例えば化学式YBa2Cu3O7δで表されるイットリウム系超電導体(以下、Y系超電導体)が代表的である。また、金属マトリクス中に超電導体が形成されているテープ状の超電導線材でもよい。超電導体には、ビスマス系超電導体、例えば化学式Bi2Sr2CaCu2
O8+δ(Bi2212), Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ(Bi2223)を適用できる。
なお、化学式中のδは酸素不定比量を示す。
保護層116は、例えば絶縁紙、高分子不織布などで構成され、常電導シールド層115の上に巻回することにより形成される。
断熱内管121及び断熱外管122は、例えばステンレス製のコルゲート管(波付き管)である。断熱内管121と断熱外管122の間には、例えばアルミを蒸着したポリエチレンフィルムの積層体で構成された多層断熱層(スーパーインシュレーション)123が介在され、真空状態に保持される。また、断熱外管122の外周はポリ塩化ビニル(PVC)やポリエチレンなどの防食層124で被覆されている。
図3は中間固定部20における超電導ケーブル10の固定構造を示す断面図である。中間固定部20は超電導ケーブル10を内側に収容する円筒状の固定ボックス21と、固定ボックス21の内部に於いて、超電導ケーブル10を保持する固定体とを備えている。この固定体は、超電導ケーブル10を内側に保持するスリーブとしての固定ブロック22と、固定ブロック22を固定ボックス21内に固定する固定金具23とから構成される。
さらに、固定ボックス21には、ケーブル線路の長手方向中央に位置する固定金具23を挟んだ配置でその両側に冷媒流通孔25a,25bを有している。
固定ボックス21は超電導ケーブルの布設経路上における中間固定部20の布設目的位置に固定状態で設置される。
この固定ボックス21は、その両端部に超電導ケーブル10の断熱管12の端部が溶接により接続されている。そして、各断熱管12が接続される端部壁面には、断熱内管121の内部領域と固定ボックス21の内部流域では、ケーブルコア11を冷却するための液体の冷媒(例えば、液体窒素)が循環されており、超電導ケーブル10の断熱内管121と固定ボックス21(厳密には後述する内壁211の内部)との間で液体の冷媒の流通が行われる。
内壁211は、図4に示すように、ケーブルの長手方向(以下、ケーブル方向という)の一方と他方とについて二分割した円筒部をさらにケーブル方向に沿った割断面で二分割した四つの壁面部材211a〜211dから構成されている。なお、壁面部材211aと211b、壁面部材211cと211dで構成される二つの円筒部の間には、後述する固定金具23を挟み込んでおり、壁面部材211a〜211dと固定金具23とはすべて溶接により一体化されている。
なお、超電導ケーブル10の断熱内管121と断熱外管122との間の内部領域も真空引きにより断熱構造が施されるが、当該断熱管12の内部領域と固定ボックス21の二重壁面の内部領域とを連通して、これらを同時に真空引きする事を可能としても良い。
円板253a(253b)は、外管252a(252b)よりも外径が大きく、その中央部には内管251a(251b)の内径と同一の径の貫通穴が形成され、当該貫通穴と内管251a(251b)とにより冷媒の流通を行っている。
また、冷媒輸送管30の挿入端部近傍には、フランジ部33が形成されており、当該フランジ部は33は、前述した冷媒流通孔25a(25b)の円板253a(253b)ほぼ等しい外径であり、フランジ部は33と円板253a(253b)とはボルト締めにより連結されている。
また、内管251a(251b)と冷媒輸送管30との間にはOリングなどのシール部材を介挿しても良い。
図3のように、固定体により固定されて超電導ケーブル10のケーブルコア11は、その最外層である保護層116の表面に絶縁紙類を巻き付けて積層した拡径補強層201が形成されている。かかる拡径補強層201は、ケーブル方向中央部には外径が均一なる等径部201aが形成され、両端部には中央部から離れるにつれて徐々に縮径してケーブルコア11と同じ径に至るテーパー部201b,201bが形成されている。なお、この拡径補強層201は、ケーブルコア11に沿って滑りを生じないように、絶縁紙類は固く巻き付けが行われている。
そして、上記拡径補強層201の外周面上には、メッキ銅線を層状に巻回して補強層202が形成されている。かかる補強層202は、銅の編組線を積層して形成しても良い。
補強層202の外周形状は、下層の拡径補強層201の形状に応じて両端にテーパーを有する拡径部が形成されている。
補強層202は、ケーブル方向について、おおむね固定ブロック22の保持範囲と同じ範囲に渡って形成されており、この補強層202は、所定の厚さを有する巻回されたメッキ銅線層又は銅の編組線層であることから、超電導ケーブル10のケーブルコア11を固定ブロック22が保持した状態において、緩衝材としての機能を果たし、温度変化により熱伸縮時などにケーブルコア11を保持することを可能とする。
なお、固定ブロック22は、その中心線に沿った断面により二つに割断された半円等部材によりケーブルコア11を挟み込むようにして包持し、相互に溶接することで一体化されている。このように、固定ブロック22は、分割構造を取ることにより、ケーブルコア11に対する取り付け作業を容易に行うことが可能となっている。
また、補強層202を固定ブロック22からはみ出さない範囲で形成し、熱硬化性樹脂24が固定ブロック22とケーブルコア11とを直接的に固定する構造としても良い。
なお、熱硬化性樹脂24は、ガラス繊維などの補強繊維とエポキシレジンなどの熱硬化性樹脂の混合物である繊維強化プラスチック(FRP)を用いてもよい。
固定金具23は、固定ブロック22の外周面上であってケーブル方向中間にボルト締めで固定されている。かかる固定金具23は、ケーブルコア11を中心とする半径方向に延出されたフランジ状に形成されており、その外径は、固定ボックス21の内壁211の外径より大きく、外壁212の内径よりも小さく設定されている。そして、前述したように、固定金具23は、内壁211を二分割した円筒に挟まれた状態で溶接により接合されている。これにより、固定金具23は、ケーブルコア11を全方位から保持することを可能としている。
なお、固定金具23も固定ブロック22と同様にその中心線に沿った断面により二分割された半円状の部材からなり、固定ブロック22の外周面に取り付ける際に相互に溶接により一体化される。
上記超電導ケーブル10の中間固定部20では、固定ボックス21の内壁211と外壁212とは、冷媒流通孔25a,25bの円板253a,253bにより結合されており、かつ、固定金具23を設けて超電導ケーブル10と固定ボックス21の内壁211を固定するので、固定ボックス21の外壁212または断熱管12の断熱外管122を固定するだけでケーブルコア11を中心とする全方位について堅牢にケーブルコア11を固定することが可能である。さらに、固定ボックス21が冷媒流通孔25a,25bを有するので、内壁211の内部領域が固定金具23により空間Aと空間Bとに二分され、相互の流通が妨げられた場合であっても、冷媒流通孔25a,25bを介して冷媒の流通を確保することが可能である。
また、ケーブルコア11の保護層116を固定体によって保持することで、高電圧の導体部分(フォーマ111、超電導導体層112)を直接保持する必要がないために、高電圧の導体部分から接地されたケース部分間の沿面において電界集中はほとんど生じない。つまり、複雑な絶縁設計(電界設計)を行う必要がない。
さらに、固定ボックス21の内壁211と外壁212とは、冷媒流通孔25a,25bの円板253a,253bにより結合されているので、結合部位を最小限とし、結合部位から内部への熱侵入を低減することが可能となっている。
図7は固定ボックス21にベローズ構造27を設けた例を示している。図示のように、固定ボックス21の外壁212であって、二つの冷媒流通孔25a,25bにはベローズ構造27を設けても良い。この例では二つのベローズ構造27,27を形成しているが、これらは一体としても良い。
ベローズ構造27は、円筒状の外壁212の全周にわたって形成された蛇腹形状部であり、外壁212をケーブル方向に沿って伸縮させる撓み変形やケーブルコア11の撓み方向に準じた撓み変形を許容する。
これにより、超電導ケーブル10の断熱管12やケーブルコア11に熱伸縮等を原因とする撓み、伸縮などの変形を生じた場合でも、これを許容しつつケーブルコア11の保持を行うことが可能となる。
なお、ベローズ構造27は、外壁212だけではなく、内壁211にも設けてもよい。
図8は三相ケーブルである超電導ケーブル10Aの中間固定部20Aを示している。
超電導ケーブル10Aは三相ケーブルの場合、前述したケーブルコア11が三本螺旋状に寄り合わされた状態で断熱管12内に収容されている。
中間固定部20Aは、寄り合わされた状態のケーブルコア11Aを一本のケーブルコア11の場合と同様に保持する。即ち、この中間固定部20Aでは、寄り合わされた状態のケーブルコア11Aの表面をガラス繊維などの補強繊維とエポキシレジンなどの熱硬化性樹脂の混合物(繊維強化プラスチック:FRP)層28で被覆し、当該混合物層28の上に拡径補強層201及び補強層202を形成し、その上から固定体で保持する構成となっている。なお、混合物層28以外の構成については前述した中間固定部20と同一である。
かかる中間固定部20Aにより、三相ケーブルからなる超電導ケーブル10Aも超電導ケーブル10と同様の効果を享受しつつ固定することが可能である。
なお、ケーブルコア11は三本に限らず、二本又は四本以上の他相ケーブルからなる超電導ケーブルについても、上記中間固定部20Aにより効果的に固定することが可能である。
図9に示すように、前述した固定ボックス21の冷媒流通孔25aと25bは、一本の冷媒輸送管30により互いに冷媒の流通が行われるように連結しても良い。これにより、固定ボックス21の内壁211の内部の空間Aに流入した冷媒は冷媒輸送管30を通じて空間Bに移動し、或いは、空間Bに流入した冷媒が空間Aに移動し、固定ボックス21内の空間Aと空間Bとの間での冷媒の流通が可能となる。
また、図10に示すように、冷媒輸送管30の途中部分には、蛇腹形状のベローズ部31を形成しても良い。これにより、固定ボックス21の撓みの発生時にも冷媒輸送管30のベローズ部31によって許容することが可能となり、そのような場合でも、冷媒の良好な流通を確保することが可能である。また、冷媒輸送管30のベローズ部31は、前述したように、固定ボックス21の外壁212にベローズ部を形成した場合に、特に外壁212の変形撓み発生時にも効果的にこれに対応することが可能である。
前述した中間固定部20では固定ボックス21の上部に二つの冷媒流通孔25a,25bを設けた場合を例示したが、冷媒流通孔の数は二つに限定するものではなく、より多くの冷媒流通孔を固定ボックス21に設けても良い。例えば、図11に示す中間固定部20Bでは、固定ボックス21Bの下部にも二つの冷媒流通孔25c,25dを設けている。
この二つの冷媒流通孔25c,25dも二つの冷媒流通孔25a,25bと同様に内壁211の固定金具23を挟んで一方の空間Aともう一方の空間Bとにそれぞれ接続されている。
三本の超電導ケーブル10は、互いに平行に布設されている。図1の例では、冷媒を一本の超電導ケーブル10に沿って流通させているが、図12のように複数の超電導ケーブル10を平行に布設する場合には、各超電導ケーブル10に沿って隣接する中間固定部20(又は20B)同士と各超電導ケーブル10の並び方向に隣接する中間固定部20(又は20B)同士とを連結して、マス目状に冷媒の循環経路を形成することができる。
例えば、両端の二本の超電導ケーブル10は、中間固定部20を所定の間隔で配置し、これらの間に位置する超電導ケーブル10は、中間固定部20Bを同じ間隔で配置し、各超電導ケーブル10の並び方向に隣接する中間固定部20(又は20B)同士を二本の冷媒輸送管30で連結する。このとき、中間固定部20Bは両隣の中間固定部20,20と連結されることから、中間固定部20Bの上の二つの冷媒流通孔25a,25bは、一方の中間固定部20の冷媒流通孔25a,25bと冷媒輸送管30,30を介して連結され、中間固定部20Bの下の二つの冷媒流通孔25c,25dは、他方の中間固定部20の冷媒流通孔25a,25bと冷媒輸送管30,30を介して連結される。
なお、一方の中間固定部20と中間固定部20Bとの間には、冷媒を所定方向に循環させるための循環ポンプ31と、冷媒を冷却するための冷凍機32とが配設される。
これにより、三本の超電導ケーブル10に隣接して設けられた合計六つの中間固定部20,20Bの間で格子状に一定方向での循環経路が形成される。
なお、複数の超電導ケーブル10を固定する場合には、中間固定部20同士を接続する必要はなく、冷媒輸送管が二つの冷媒流通孔を接続した中間接続部20(図9,10)を用いてもよい。
上述した中間固定部20,20A,20Bはいずれも、ケーブルコア11の中間接続部を有していない部分を固定していたが、二本の超電導ケーブル10を長手方向において接続する場合のケーブルコア11同士の中間接続部15を内部に有し、当該中間接続部15を固定する場合にも中間固定部20等と同じ構成の中間固定部20Cを使用することが可能である。
図13は二本の超電導ケーブル10の中間接続部15を有した中間固定部20Cを示している。
即ち、各超電導ケーブル10の接続端部からケーブルコア11を断熱管12から一定長さだけ突き出して露出させる。さらに、電気絶縁層113、超電導シールド層114、常電導シールド層115、保護層116をそれぞれ退避させて、フォーマ111及び超電導導体層112が接続端部側に所定の長さで突出した状態とする。このとき、絶縁紙等を積層された電気絶縁層113だけは、接続端部側の形状が当該接続端部に向かうにつれて縮径するように形状を整え、その接続端部にテーパー113aを形成する。
そして、フォーマ111同士を突き合せ、接続端部同士の溶接を行ってから、フォーマ111同士の溶接部の外径が一様となるよう、成形を行い、後方に退避されていた超電導導体層112をフォーマ111に巻き直す。
そして、二つの超電導導体層112の接続端部の上面において、各超電導導体層112の超電導層が導通するように半田を介在させて接続用超電導線材(図示略)を架設状態で貼着し、各超電導導体層112の電気的な接続が行われる。なお、超電導導体層112の超電導層を構成する超電導線材を1本ずつ半田により接続することも可能である。
この拡径補強絶縁層113bは、電気絶縁層113の二つのテーパー113a、113aと接続絶縁層113cとの境界となる二箇所のつなぎ目をいずれも覆うことができるように十分な大きな幅で形成されている。
また、接続用超電導シールド層114cを配さずに、超電導シールド層114同士の接続端部上面において、各超電導シールド層114の超電導層が導通するように半田を介在させて接続用超電導線材114aを架設状態で貼着し、各超電導シールド層114の電気的な接続を行ってもよく、超電導シールド層114の超電導層を構成する超電導線材を1本ずつ半田により接続してもよい。
超電導シールド層114の接続後、常電導シールド層115が形成されていない部分に、接続用常電導体115aが配され、各常電導シールド層115と接続用常電導体115aの接続端部同士が半田により接続され、常電導シールド層115同士が接続される。
常電導シールド層115の接続後、保護層116が形成されていない部分に、保護層116と同じ絶縁紙、高分子不織布などを巻回して積層し、接続保護層116aを形成する。
そして、再形成された保護層116の外周面上に、保護層116の表面に絶縁紙類を巻き付けて積層した拡径補強層201が形成されている。補強層202、固定体の固定ブロック22については、図3の形態と同様である。
本実施形態の場合、超電導シールド層114の接続部分における損傷を低減するため、固定体の固定ブロック22の包持部分には、超電導シールド層114の接続部(図13においては接続用超電導線材114aと超電導シールド層114、接続用超電導シールド層114cの接続部分に相当)を含まないようにすることが望ましい。
さらに、中間固定部20Cは、固定ボックス21の内壁211に支持された固体金具23がスリーブ状の固定ブロック22で中間接続部15を外側から包持しているので、超電導ケーブル10を簡易な構造により堅牢にケーブルコアを固定することが可能である。
また、ケーブルコア11上にその両端部に向かって縮径した拡径補強層201を形成し、その外周面形状に応じた形状の固定ブロック22で固定するので、ケーブルコア11の周囲やその固定構造において角部や突起が少ない構造ととなり、電界集中が生じにくく、絶縁性能が高い電界設計となっている。
なお、前述した固定ボックス21は、円筒状を例示したが、形状については特に限定はなく、例えば、直方体などの形状としても良い。
上述した中間固定部20,20A,20B,20Cはいずれも、フランジ状の一つの固定金具23でケーブルコアを固定していたが、固定金具の形状や構造,個体数はこれに限定されるものではない。
例えば、図14はケーブルコア11に垂直な断面から見た断面図であるが、図示のように、固定ブロック22の長手方向中間位置において外周面上に二分された補強用の金属輪231を嵌めて互いに溶接により固定し、さらに、金属輪231の外周における直径方向の両端部の位置に棒状又はブロック状の二つの固定金具232,232を設け、その両端部を溶接することで、金属輪231と固定ボックス21の内壁211との間を固定する構造としている。
また、強度が十分に確保されるのであれば、固定金具232は図15のように一つのみとしても良いし、より強固に固定するために、図16に示すように、より多くの固定金具232(図16の例では三つ)で固定しても良い。
また、ケーブルコア11の中間接続部15以外の部位については、上記の固定体と合わせて補助固定具により固定ボックス21の内壁211に固定を行ってもよい。この補助固定具は、ケーブルコア11の中間接続部15以外の部位の外周に直接取り付けられ保持を行う金属輪(前述した金属輪231と同一構造)と、当該金属輪と固定ボックス21の内壁211との間を固定する棒状又はブロック状の一又は複数の固定金具(前述した固定金具232と同一構造)とからなり、ケーブルコア11の中間接続部15以外の絶縁性の高い部位について固定ボックス21内において補助的な固定を行う。
超電導ケーブル線路の固定構造の他の例について説明する。この超電導ケーブル線路の固定構造は、図3の中間固定部20と図11の中間固定部20Bとを使用して二本の超電導ケーブル線路を固定する構成であって、循環冷却部40を用いた冷却システム4を適用したことを特徴としている。
図17は超電導ケーブル線路の固定構造の布設例を示す概略図である。
図17に示すように、電力の供給元と供給先とにはそれぞれ終端接続部30、30が配設され、その間で超電導ケーブル線路が中間固定部20により支持される。
また、冷却システム4では、上記超電導ケーブル線路の列が二列並行に形成されている場合において、それぞれの線路の長手方向における同じ位置に設けられた一方の中間固定部20から他方の中間固定部20に渡って架設された状態で循環冷却部40が設けられている。
なお、超電導ケーブル線路とは、一方の目的地(終端接続部30)からもう一方の目的地(終端接続部30)までを結ぶ超電導ケーブルであるが、この超電導ケーブル線路を一本の超電導ケーブル10で構成しても良いし、複数の超電導ケーブル10を前述した中間接続部15によりつなぎ合わせて構成しても良い。また、複数の超電導ケーブル10をつなぎ合わせる場合には、中間固定部20に替えて中間固定部20Cを使用する。以下の説明では、超電導ケーブル線路を一本の超電導ケーブル10で構成した場合を例示する。
図18は超電導ケーブル10、中間固定部20及び循環冷却部40の構成を示す概略図である。図示のように、循環冷却部40は、超電導ケーブル10からなる超電導ケーブル線路の二つの列の長手方向における同位置に設けられた中間固定部20,20に架設状態で設けられている。
循環冷却部40は、超電導ケーブル10のからなる超電導ケーブル線路の一方の列の中間固定部20から他方の列の中間固定部20に架設される冷媒輸送管で構成された第一の冷媒経路41と第二の冷媒経路42と、第一の冷媒経路41と第二の冷媒経路42にそれぞれ設けられた循環ポンプ43,44と、第一の冷媒経路41と第二の冷媒経路42のそれぞれを流れる冷媒を冷却する冷却装置45とを備えている。
かかる構造により、循環冷却部40の第一の冷媒経路41は、隣接する他の循環冷却部40の第二の冷媒経路42と、これら二つの循環冷却部40の間に位置する二つの超電導ケーブル10の断熱管12とにより、冷媒の循環経路Rを形成する。
図19は冷却装置45の構成図である。冷却装置45は、当該装置内を循環する所定の冷媒に対して蒸発−圧縮−凝縮−膨張のサイクルを繰り返す冷凍機451と、第一と第二の冷媒経路41,42内の冷媒から吸熱を行う冷却部位としての熱交換器452とを備えている。
さらに、第一の冷媒経路41と第二の冷媒経路42における冷却装置45のすぐ下流側には、冷媒の温度検出を行う温度センサ453,454が設けられ、これらの温度センサ453,454は、二つの流量調整弁415,425の流量制御を行う温度制御回路455に対して検出温度の信号出力を行う。
なお、冷却装置45は、規定流量の冷媒を適正な温度よりも冷却可能な容量のものが使用される。
また、冷凍機451の個体数を低減することにより、メンテナンスコストも飛躍的に低減することが可能である。また、2台を1台にまとめることにより、モーター等の個数が半減するため、モーターの軸受け等における摩擦発熱による機械的損失が小さくなり、冷凍効率を向上させることができる。
更に、超電導ケーブルの敷設場所が都市部地下の場合には、冷却システムの設置スペースもできるだけ小さくされることが望まれることから、本発明の実施形態によれば、設置スペースも同一出力で比較すると約50%に抑えることができる。
図18に示した超電導ケーブル線路の固定構造の例では、二列並行に布設された単相単芯型の超電導ケーブル10に対して冷却システム4を適用した場合を例示しているが、これに限定されるものではない。例えば、三芯のケーブルコア11を一括して断熱管12内に収納した三芯一括型超電導ケーブルが二列並行に布設されている場合にも、上記実施形態と全く同様に冷却システム4を設けることが可能である。
図示の例では、上から二列目の超電導ケーブル10に接続される中間固定部20B(図11参照)のみが、上下両方に第一の冷媒経路41及び第二の冷媒経路42が接続される。そして、一番上の列の超電導ケーブル10を通過した冷媒は、上から二列目の超電導ケーブル10と三列目の超電導ケーブル10とに分岐して流れ、その後、合流してから再び一番上の列に超電導ケーブル10に流れる、という循環経路RAが形成される。
また、この冷却システム4Aでは、前述したように、一番上の列の超電導ケーブル10は冷媒の流量が多く、他の二列の超電導ケーブル10の冷媒の流量は少なくなる。しかしながら、循環冷却部40Aの冷却装置45は、各冷媒経路の検出温度に基づいて熱交換器452を通過する冷媒の流量を制御することが可能であるため、第一の冷媒経路41では熱交換器452を通過する冷媒の流量が低減され、第二の冷媒経路42では熱交換器452を通過する冷媒の流量が増量される制御が行われ、いずれの列の超電導ケーブル10もほぼ同じ極低温を維持され、均一な状態で送電を行うことが可能である。
即ち、この循環冷却部40Bでは、並行に布設された超電導ケーブル10からなる超電導ケーブル線路の一方の列に設けられた中間固定部20(図21の上側の中間固定部20)の冷媒流通口25a,25bが冷却装置45の流入経路413の一端と他端とに接続され、並行に布設された超電導ケーブル10の他方の列に設けられた中間固定部20(図21の下側の中間固定部20)の冷媒流通口25a,25bが冷却装置45の流入経路423の一端と他端とに接続されている。
これにより、循環冷却部40Bを含む冷却システム4Bによる冷媒の循環経路RBは、前述した循環経路Rのように、循環冷却部40において一方の超電導ケーブル線路から他方の超電導ケーブル線路への移行はなく、循環冷却部40Bを介して同じ超電導ケーブル線路に沿って流れるように冷媒の循環が行われる。
この場合、冷却装置45の流入経路413が「第一の冷媒経路」に相当し、冷却装置45の流入経路423が「第二の冷媒経路」に相当することとなる。
冷却システム4Bは、このように構成されることにより、極低温での循環を可能とする循環ポンプの使用個体数を低減することができ、そのイニシャルコストやメンテナンスコストの低減を図ることが可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
また、上記冷却システム4(若しくは4A又は4B)では、循環冷却部40(若しくは40A又は40B)を中間固定部20ごとに設ける場合を例示したが、循環冷却部40(若しくは40A又は40B)の配設間隔は任意に調節可能である。例えば、複数の中間固定部20に一つの間隔で循環冷却部40(若しくは40A又は40B)を設けても良い。
そして、これにより、極低温下で使用可能な循環ポンプの個体数を低減することができ、イニシャルコスト及びメンテナンスコストの低減を図ることが可能となる。
11 ケーブルコア
111 フォーマ
112 超電導導体層
113 電気絶縁層
113a テーパー
113b 拡径補強絶縁層
113c 接続絶縁層(電気絶縁層)
114 超電導シールド層
115 常電導シールド層
116 保護層
12 断熱管
121 断熱内管(内管、冷媒経路)
122 断熱外管(外管)
15 中間接続部
20,20A,20B,20C 中間固定部(固定構造)
21 固定ボックス
211 内壁
212 外壁
22 固定ブロック(固定体、スリーブ)
23 固定金具(固定体)
24 熱硬化性樹脂(結合部)
25a,25b,25c,25d 冷媒流通孔
30 冷媒輸送管
201 拡径補強層
201a 等径部
201b テーパー部
202 補強層
30 終端接続部
4,4A,4B 冷却システム
40,40A,40B 循環冷却部
41 第一の冷媒経路(冷媒輸送管)
42 第二の冷媒経路(冷媒輸送管)
411,421 内管
412,422 外管
413 流入経路(第一の冷媒経路)
423 流入経路(第二の冷媒経路)
414,424 バイパス経路
415,425 流量調整弁
43,44 循環ポンプ
45 冷却装置
451 冷凍機
452 熱交換器(冷却部位)
453,454 温度センサ
455 温度制御回路
Claims (18)
- フォーマと超電導導体層とを有するケーブルコアと、前記ケーブルコアを収容し、内管と外管からなる断熱構造を有する断熱管とを備える超電導ケーブルの固定構造であって、
前記断熱管と接続され、内壁と外壁からなる断熱構造を有し、前記ケーブルコアが貫通する固定ボックスと、
前記ケーブルコアを前記固定ボックスの内壁に固定する固定体とを有し、
前記固定ボックスの内壁の内側には冷媒が流通可能であり、
前記ケーブルコア上に形成され、両端部に向かって縮径した絶縁層である拡径補強層を有し、
前記ケーブルコアは、前記拡径補強層を介し前記固定体により前記内壁に固定されており、
前記ケーブルコアは、前記超電導導体層の外周に電気絶縁層を有し、前記固定ボックス内において、前記ケーブルコアは、前記電気絶縁層の接続部を有する中間接続部を有し、
前記中間接続部の前記電気絶縁層の接続部の外周には、前記中間接続部ではない部分の電気絶縁層の外径よりも大きな拡径補強絶縁層を有することを特徴とする超電導ケーブルの固定構造。 - 前記固定体は前記拡径補強層の外周面形状に応じた形状のスリーブを有することを特徴とする請求項1記載の超電導ケーブルの固定構造。
- 前記ケーブルコアの前記拡径補強層の周囲に補強層を有し、
前記固定体は、前記補強層を介して前記拡径補強層を保持することを特徴とする請求項1又は2記載の超電導ケーブルの固定構造。 - 前記ケーブルコアと前記固定体とを接着結合する結合部を設けたことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超電導ケーブルの固定構造。
- 前記拡径補強絶縁層は、前記中間接続部における2つのケーブルコアのテーパー状の電気絶縁層の間に積層された電気絶縁層と前記テーパー状と、前記電気絶縁層の間に積層された電気絶縁層の絶縁層のつなぎ目を覆うように積層されたことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の超電導ケーブルの固定構造。
- 前記拡径補強絶縁層は、絶縁性紙類により巻回されていることを特徴する請求項1から5のいずれか一項に記載の超電導ケーブルの固定構造。
- 更に前記ケーブルコアを前記内壁に固定する補助固定体を少なくとも一つ有し、
前記補助固定体を、前記ケーブルコアの外周を保持する金属輪を介し棒状又はブロック状の固定金具で前記内壁に固定する構造とすることを特徴とする請求項1又は2記載の超電導ケーブルの固定構造。 - 前記固定体を、前記ケーブルコアの外周を覆うスリーブを介し棒状又はブロック状の固定金具で前記内壁に固定する構造とすることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の超電導ケーブルの固定構造。
- 前記固定体は、前記固定ボックスの内部領域を二分するように前記内壁に固定され、
前記固定ボックスには、前記固定体を挟んでその両側にそれぞれ一つ以上の冷媒流通孔が形成され、前記冷媒流通孔において前記内壁と前記外壁とが結合されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の超電導ケーブルの固定構造。 - 前記冷媒流通孔に冷媒輸送管が接合されていることを特徴とする請求項9に記載の超電導ケーブルの固定構造。
- 前記固定体を挟んでその両側に形成された前記冷媒流通孔同士が前記冷媒輸送管によって接続されていることを特徴とする請求項10に記載の超電導ケーブルの固定構造。
- 請求項10に記載の固定構造を用いて複数の超電導ケーブルを固定する固定構造であって、
前記複数の超電導ケーブルは各々固定ボックスを有し、当該各固定ボックス同士が前記冷媒流通孔に接続された前記冷媒輸送管を介して接続されていることを特徴とする超電導ケーブル線路の固定構造。 - 前記複数の固定ボックス内の冷媒は前記固定体を挟んで前記超電導ケーブルに沿って流通せず、前記冷媒流通孔に接続された前記冷媒輸送管を介して他の固定ボックスに流通する構造となっていることを特徴とする請求項12に記載の超電導ケーブル線路の固定構造。
- 前記超電導ケーブルが平行に複数列配設されると共に、これら複数列の超電導ケーブルに循環冷却部が前記固定ボックスを介して一定の間隔で架設され、
前記循環冷却部は、
複数の前記超電導ケーブルの冷媒経路に連通する第一の冷媒経路と、
他の複数の前記超電導ケーブルの冷媒経路に連通する第二の冷媒経路と、
前記第一の冷媒経路内と前記第二の冷媒経路内で各々循環する冷媒を冷却する一台の冷凍機とを有し、
前記第一の冷媒経路と前記第二の冷媒経路とが、前記固定体を挟んでその両側に設けられた各々の前記冷媒流通孔を通じて前記固定ボックス間を接続することを特徴とする請求項9又は10記載の固定構造を用いた超電導ケーブル線路の固定構造。 - 前記循環冷却部は、前記第一の冷媒経路と前記第二の冷媒経路のいずれか一方にのみ冷媒の循環ポンプを設けたことを特徴とする請求項14に記載の超電導ケーブル線路の固定構造。
- 前記循環冷却部は、前記第一の冷媒経路と前記第二の冷媒経路のそれぞれについて、前記冷凍機の冷却部位に流入する流入経路と前記冷凍機を回避するバイパス経路とを備え、
前記流入経路と前記バイパス経路の冷媒の流量を調節して冷媒の温度制御を行うことを特徴とする請求項14又は15記載の超電導ケーブル線路の固定構造。 - 前記循環冷却部の第一の冷媒経路及び第二の冷媒経路は、その前後で異なる列の超電導ケーブルに冷媒を導くことを特徴とする請求項14から16のいずれか一項に記載の超電導ケーブル線路の固定構造。
- 前記循環冷却部の第一の冷媒経路及び第二の冷媒経路は、その前後で同じ列の超電導ケーブル冷媒を導くことを特徴とする請求項14から16のいずれか一項に記載の超電導ケーブル線路の固定構造。
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