JP6345995B2 - 超電導ケーブルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、室温から作動温度への、および、その逆への超電導ケーブルの冷却時に生じる温度による長さ変化を補正するための手段を備えた前記超電導ケーブルの製造方法であって、少なくとも超電導体によって取り囲まれている管状の中央の担持体を備えた超電導ケーブルを使用し、前記担持体内にその全長にわたって少なくとも１つの引張り強度のあるストランドを配置するようにした前記方法に関するものである。

このようなケーブルはたとえば特許文献１から読み取れる。

超電導ケーブルは、十分低い温度で超電導状態へ移行する材料から成る導体を有している。適宜構成した導体の直流電気抵抗は、十分冷却すれば、特定の電流強さ、すなわち臨界電流強さを越えない限り、ゼロである。適した超電導材料はたとえば希土類（ＲｅＢＣＯ）をベースにした、特にＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅・酸素）またはＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅・酸素）をベースにした酸化材である。この種の材料を超電導状態へもたらすための十分低い温度は、たとえば６７Ｋと１１０Ｋの間である。しかしながら、たとえば二ホウ化マグネシウムのように、さらに低い温度へ冷却しなければ超電導状態へ移行しないような超電導材料も存在する。これら材料のすべてに対して適した冷却材は、たとえば窒素、ヘリウム、ネオン、水素またはこれら物質の混合物である。

少なくとも１つの超電導ケーブルを備えた装置の作動の場合、公知の技術では、ケーブルはクライオスタット内に配置される。クライオスタットは少なくとも１つの熱絶縁された管から成り、この管を通じて、使用する超電導材料に適した冷却材、有利には前述した冷却材のうちの１つが誘導される。ケーブルは超電導状態に達するまでクライオスタット内部でかなり冷却され、これにより、熱収縮のために短くなる。伝送経路の機能性を保証するには、一方ではクライオスタットまたはケーブルに支障をきたさず、他方ではクライオスタットまたはケーブルに接続されているアッセンブリに支障をきたさないようにケーブルの短縮を補正できるような処置を講じなければならない。

特許文献２に記載の方法では、超電導ケーブルは、室温の場合にたとえば不変鋼から成ってケーブルと点状に結合されている引張り強度のあるワイヤーから成る十字状網目構造部によって、波形状に延在するように変形される。超電導ケーブルは、この波形形状で、互いに同心に配置される２つの管（その間に真空絶縁部が設けられている）から成っているクライオスタットに挿入され、該クライオスタットを通じて当該装置の作動時に冷却材が誘導される。冷却時に短くなるケーブルは伸張形状に移行するが、その際にクライオスタットまたは接続されているアッセンブリの機械的荷重は生じない。この方法は効果的に実施可能であるが、かなりのコストを必要とする。

冒頭で述べた特許文献１は、超電導ケーブルの熱収縮を補正するようにした方法を記載している。ケーブルは管状の担持体を有し、該担持体のまわりに、絶縁層によって切り離されている２つの超電導体が配置されている。担持体内には、ケーブルの敷設後にたとえばクランプを用いて両端部に固定される引張り強度のあるストランドが配置される。ストランドによりケーブルの両端部は軸線方向に圧縮されて、これら両端部において導体は対応的に短縮されて波形状に延在する。

米国特許出願公開第２０１０／０２８５９６８号明細書 欧州特許第１７２０１７６号明細書

本発明の課題は、温度に依存した超電導ケーブルの長さ変化を補正できるように簡単に且つ少ないコストで構成できる超電導ケーブルを提供することである。

この課題は、本発明によれば、
−ケーブルをまずストランドとともに室温でコイル上に巻回すること、
−次に、ストランドをケーブルの両端において該ケーブルに不動に固定すること、
−最後に、ケーブルをコイルから巻き戻すこと、
によって解決される。

この方法は簡潔であり、大きな組み立てコストなしに実施可能である。必要とする超電導ケーブルは、その構成に関係なく、特にその超電導体の数量に関係なく、管状の中央の担持体を有するものであればよい。まず、担持体内部に少なくとも１つの引張り強度のあるストランドを挿入する。ストランドは特別な寸法精度は必要なく、ケーブルの両端部に設けられるような長さでありさえすればよい。ストランドはたとえば鋼または引張り強度のあるプラスチックから成っていてよい。次に、引張り強度のあるストランドを装備させたケーブルを、従来の装置を用いて、１つのコアと該コアを側部で画成している２つのフランジとから成るコイル上へ巻回する。その際ストランドは、担持体の、コイルのコア側の内表面に当接する。さらに、ストランドを超電導ケーブルの両端部において該超電導ケーブルに、有利にはケーブルの担持体に不動に固定結合させる。

最後に超電導ケーブルを再びコイルから巻き戻す。このとき超電導ケーブルは略直線状の延在を有する。引張り強度のあるストランドは巻き戻し工程によってまっすぐに配向される。その際ストランドは、ケーブルの端部における両固定点の間でケーブルよりも短く、すなわちストランドとケーブルの軸線またはケーブルのニュートラル段階との間隔によって決定される量だけ短い。それ故、ストランドはケーブルをコイルから巻き戻す際にケーブルの端部を固持し、その結果ケーブルはストランドに比べてより長いために変形する。このより長い長さは、たとえば、ケーブルがその両端部の間で略波形状に延在するように置換することができる。

これに引き続いて、または、コイルから巻き戻す際でも、波形状に変形した超電導ケーブルをクライオスタットに挿入することができる。しかし、引張り強度のあるストランドを固定する前に、超電導ケーブルをクライオスタットに配置し、クライオスタットを、取り囲まれているケーブルとともにコイルに巻回してもよい。この実施態様でも、ストランドは、クライオスタットをコイル上に巻回した後にケーブルの両端部に不動に固定される。

超電導ケーブルは、室温から作動温度へ冷却した際にたとえば０．３％と０．５％の間の範囲で短くなる。これは、たとえばケーブル長さが６００ｍであると、５９８ｍまたは５９７ｍに短縮することを意味している。その都度の所与条件は、たとえば担持体の径により、或いは、引張り強度のあるストランドとケーブルの軸線との間隔が変化することに伴う担持体の内のり幅により考慮することができる。また、引張り強度のあるストランドを所定のたるみで担持体内に配置し、その結果ケーブルをコイルから巻き戻す際に初めてストランドが対応的に遅延して直線状延在へ移行するようにすることも可能である。

引張り強度のあるストランドにより超電導ケーブルの冷却時に場合によっては発生する該超電導ケーブルの移動障害を防止するため、ストランドは、ケーブルをコイルから巻き戻した後に、少なくともケーブルの一端においてケーブルから取り外すのが合目的である。ストランドは、有利には、ケーブルをコイルから巻き戻した後に担持体から引き抜かれる。これら２つの処置は、有利には、ケーブルがその両端部において伝送経路のアッセンブリで固定されたときに初めて実施する。

本発明による方法を図面を用いて実施形態として説明する。

管状の中央の担持体を有する超電導ケーブルの横断面図である。 超電導ケーブルを巻回したコイルを示す図である。 図１のケーブルの担持体の一端を示す図である。 ケーブルをコイルから巻き戻した後の担持体の延在態様を示す図である。 内部に超電導ケーブルを備えたクライオスタットの横断面図である。 同様にケーブルを冷却した後の担持体の延在態様を示す図である。

図１には、管状の中央担持体１を持つ超電導ケーブルＳＫの横断面が図示されている。ケーブルＳＫの個々の要素は担持体１を取り囲み、その際ケーブルの最も内側の層は担持体１に当接している。ケーブルＳＫの構成は広範囲に変更可能である。熱い誘電体を備えたケーブルとしては１つの超電導体を有していればよく、冷たい誘電体を備えたケーブルとしては、１つの超電導体とこれを取り囲む絶縁体（誘電体）を有していればよい。それ故、ケーブルの構成に関してはこれ以上立ち入らない。

担持体１は、たとえば鋼または銅のような金属から成っている。担持体１内には、引張り強度のあるストランド２が配置され、ストランドはたとえば鋼または引張り強度のあるプラスチックから成っている。２本またはそれ以上の引張り強度のあるストランドを担持体１内に装着してもよい。以下の説明では、引張り強度のある１本のストランド２を備えた実施形態のみを考慮する。ストランド２は少なくともケーブルＳＫと同じ長さでなければならず、これによりストランドはケーブルの両端に存在する。合目的にはストランド２はケーブルＳＫよりも長く、その結果両端でこれから突出する。

本発明による方法を実施するため、たとえばケーブルＳＫを担持体１内にあるストランド２とともに、コア３と該コアを側部で画成している２つのフランジ４と５から成るコイルＳＰ上に少なくとも１層で室温で巻回する。図２では、円の形状に巻回されたケーブルＳＫの１層のみが図示され、より正確な詳細は図示していない。ケーブルＳＫの長さによっては、２つまたはそれ以上の重設層をコイルＳＰ上に巻回してもよい。ストランド２は、コイルＳＰ上にケーブルＳＫを巻回したとき、担持体１の、コイルＳＰのコア３側の内表面に当接する。これによりストランドは、担持体１の軸線Ａに対し該担持体の径または内のり幅に依存した間隔を有する。

ケーブルＳＫをその全長にわたってコイルＳＰ上に巻回した場合、引張り強度のあるストランド２はケーブルＳＫの両端において該ケーブルと不動に固定結合され、好ましくはその担持体１と固定結合される。この点を図３で、担持体１とストランド２のみを図示したケーブル端に対して示唆した。両部材間の結合部位６は図３では概略的に示唆されている。ケーブルＳＫをコイルＳＰから巻き戻した後に生じる該ケーブルＳＫの「波形性」の度合いによっては、ストランド２をケーブルＳＫに固定する際に該ストランドをその両端においてゆるみなく張るように引張ることができるが、所定のたるみを持って担持体１内に配置してもよい。

ストランド２がその両端部においてケーブルＳＫまたはその担持体１と結合されている場合、ケーブルＳＫはコイルＳＰから巻き戻すことができる。ストランド２がケーブルＳＫの軸線Ａに対し、または、担持体１内でのそのニュートラル段階に対し間隔をもって位置しているので、ストランドはケーブルＳＫの両端部における両固定点の間においてはケーブルよりも短い。それ故ストランドは、該ストランドをコイルＳＰから巻き戻す際にケーブルＳＫを両端部において固持し、その結果ケーブルＳＫは両固定点の間での適当な変形によってその際に生じるその「過剰長さ」を内包していなければならない。この場合ケーブルは、図４に図示したように波形状に変形するので有利である。この点を、図４では、担持体１を表わす２本の波形線のみによって示唆した。ストランド２は図４では直線として図示されている。

ケーブルＳＫは、図４から認められる形状では、たとえば図５に図示したクライオスタットＫＲ内へ挿入することができる。図５の実施形態では、クライオスタットＫＲは互いに同心に配置される金属製の、特に特殊鋼から成る２つの管７と８から成り、これら管の間に真空絶縁部９が装着されている。クライオスタットＫＲはただ１つの熱絶縁管から成っていてもよい。クライオスタットは波形のケーブルＳＫのまわりに成形することができる。しかしながら、波形のケーブルＳＫを予め作製したクライオスタットに引き込むまたは押し込むことも可能である。

クライオスタットＫＲは、ケーブルＳＫ以外に中空空間ＨＲをも取り囲んでおり、該中空空間を通じて当該装置の作動時に冷却媒体が導入される。その際にケーブルＳＫは短くなり、その結果、図６で担持体１に対してのみ示唆したように、伸張形状へ移行する。

冷却時のストランド２によるケーブルＳＫの移動（ストランドも同様に冷却される）が確実に阻害されないようにするため、ストランド２をケーブルＳＫの少なくとも一端において予めケーブルから、またはその担持体１から取り外すのが合目的である。有利には、ストランド２はケーブルＳＫの冷却の前にケーブルから除去される。それ故ストランドは図６に図示していない。ストランド２の処理に関わる両実施態様は、ケーブルＳＫがその両端部において伝送経路のアッセンブリに固定されたときに初めて実施すると合目的になる。

本発明による方法は、他の実施形態では、ケーブルＳＫを担持体１内にあるストランド２とともに最初にクライオスタットＫＲに挿入するように実施してもよい。次に、このようにして装備させたクライオスタットＫＲを、図２に対応してコイル上に巻回する。ケーブルＳＫまたはその担持体１へのストランド２の固定と、この実施形態においてすでにクライオスタットＫＲ内にあるケーブルＳＫのその後の処理とは、前述の説明に対応して実施する。

１ 担持体
２ ストランド
ＫＲ クライオスタット
ＳＫ 超電導ケーブル

Claims (6)

1. 室温から作動温度への温度変化、および、作動温度から室温への温度変化による長さ変化を補正するための手段を備えた超電導ケーブルの製造方法であって、
   前記超電導ケーブルは、少なくとも超電導体によって取り囲まれている管状の中央の担持体を備え、前記担持体内にその全長にわたって少なくとも１つの引張り強度のあるストランドを配置するようにしたものであり、
   まず、前記超電導ケーブルを前記ストランドとともに室温でコイル上に巻回すること、
   次に、前記ストランドを前記超電導ケーブルの両端において該超電導ケーブルに不動に固定すること、
   最後に、前記超電導ケーブルを前記コイルから巻き戻すこと、
   を特徴とする方法。
2. 前記コイルから巻き戻した前記超電導ケーブルを、冷却媒体を誘導するための中空空間を取り囲んでいる少なくとも１つの熱絶縁された管を有する管状のクライオスタット内へ挿入することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 引張り強度のある前記ストランドを前記担持体内に配置した前記超電導ケーブルを、まず、少なくとも１つの熱絶縁された管を有するクライオスタットに挿入すること、
   次に、前記超電導ケーブルを挿入した前記クライオスタットをコイル上に巻回すること、
   次に、前記ストランドを前記超電導ケーブルの両端において該超電導ケーブルに不動に固定すること、
   最後に、前記クライオスタットを前記コイルから巻き戻すこと、
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記超電導ケーブルまたは前記クライオスタットを前記コイルから巻き戻した後、引張り強度のある前記ストランドを少なくとも前記超電導ケーブルの一端において該超電導ケーブルから取り外すことを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の方法。
5. 前記超電導ケーブルまたは前記クライオスタットを前記コイルから巻き戻した後、引張り強度のある前記ストランドを前記担持体から引き抜くことを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の方法。
6. 引張り強度のある前記ストランドを前記超電導ケーブルから取り外す前に、または、前記担持体から引き抜く前に、はじめて前記超電導ケーブルをその端部において伝送経路のアッセンブリに固定することを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。

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