JP6778766B2 - 電気エネルギーのための伝送リンクをセットアップする方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの超電導ケーブルと、当該超電導ケーブルを取り囲むクライオスタットとを用いた、電気エネルギーの伝送リンクをセットアップするための方法に関する。

前記クライオスタットは、互いに対して同心状に配置された２つの金属管、すなわち、外管及び内管から成り、当該２つの管の間に真空断熱材が設けられている。前記クライオスタットの少なくとも一端に、曲げられた形態で延在している管体が、隙間を有さずに接続される。当該管体は、前記クライオスタットと同様に、互いに対して同心状に配置された２つの金属管、すなわち、外管及び内管から成り、当該２つの管の間に真空断熱材が設けられている。組み立てられた状態における前記管体の自由端と、前記管体により取り囲まれた前記超電導ケーブルとが、前記伝送リンクの固定部分に接続され、前記ケーブルを超電導状態にするために、冷媒が前記クライオスタット内に流通される。このような方法が、特許文献１に開示されている。

伝送リンクの固定部分は、伝送リンクの２つの長さ（クライオスタットとケーブルとから成る）が互いに接続される終端部又は接続スリーブであり得る。このようなクライオスタットは２つの管から成り、これらの管はスペーサにより互いに分離されている。その結果、これらの管は互いに対して同心状に配置されている。「同心状」の用語は、本明細書において、２つの管が製造誤差により互いに正確には平行に延在しないクライオスタットの構成にも適用される。

超電導ケーブルは、十分に低い温度で超電導状態に移行する材料から成る少なくとも１本の導電体を有する。適切な超電導材料は、例えば、希土類ベースの酸化物材料（ＲｅＢＣＯ）、特には、ＹＢＣＯ（イットリウム‐バリウム‐銅酸化物）又はＢＳＣＣＯ（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電導状態に移行させるための十分に低い温度は、例えば、６７Ｋ〜１１０Ｋである。また、二ホウ化マグネシウムなどの超電導材料も存在するが、これらの材料を超電導状態に移行させるためには、さらにより低い温度に冷却しなければならない。これらの材料の全てに適した冷媒は、例えば、窒素、ヘリウム、ネオン、水素、又は、これら物質の混合物である。従って、少なくとも１つの超電導ケーブルを有する装置の動作中、超電導ケーブルはクライオスタット内で著しく（室温から動作温度に）冷却され、それにより、超電導ケーブルは、熱収縮により長さが短くなる。伝送リンクの機能性能を保証するためには、ケーブルの短縮を補償するための予防措置を講じなければならない。

特許文献２に記載されている方法の場合、超電導ケーブルは、室温においてはクライオスタット内に波形状又は螺旋状に延在するように設けられる。これにより得られる、クライオスタットよりも長いケーブルの長さは、所定の点にてケーブルに接続されている十字状構造部により安定化されている。

特許文献３は、クライオスタット内に配置され且つ終端部に接続される超電導ケーブルを有する装置をセットアップするための方法を開示している。前記終端部には導電体が設けられ、この導電体は、半径方向に弾性のリブを含む導電性材料から成る管状部品に固定されている。組み立てられた状態において、前記管状部品に超電導ケーブルの導体が組み込まれている。熱誘導により長さが変化した場合、超電導ケーブルの導体が前記管状部品内で長手方向に滑る場合がある。

冒頭に記載した特許文献１は、少なくとも１つの超電導ケーブルと、この超電導ケーブルを取り囲むクライオスタットとを有する装置に関する。前記クライオスタット内に２つのベローが取り付けられており、これらのベロー間に曲げられた形態で延在する管部分が設けられている。前記ベローは、好ましくは、前記管部分に対して対称に延在するように意図されている。この目的のために、前記管部分は、１８０度の角度に、若しくは少なくとも約１８０度の角度に曲げられている。前記クライオスタット内に配置された前記ケーブルは装置の動作中に冷却され、その結果、長さが短くなる。これにより、前記ケーブルは、前記管部分の壁部に接触配置され、また、前記ベローが互いに押し付けられる方向に引き寄せられる。

欧州特許出願公開第２６９３５８４号明細書 欧州特許第１７２０１７６号明細書 欧州特許第１６１７５３７号明細書

本発明は、本明細書の冒頭に記載した、電気エネルギーの伝送リンクをセットアップするため方法を単純化する目的、及び、前記伝送リンクにて使用される前記超電導ケーブルの熱補償を向上させる目的に基づいている。

この目的は、本発明により、以下の方法を提供することにより達成される。すなわち、
‐少なくとも１８０度の角度だけ曲げられ且つ前記クライオスタットに固定及び密閉されて接続された管体を使用し、
‐前記クライオスタットの対応する管よりも大きい直径を有する管を、前記管体の作製のために使用し、且つ、
‐前記クライオスタットから突出している前記超電導ケーブルを、前記超電導ケーブルが前記内管の大きい方の曲げ半径を有する壁部の少なくともすぐ近くに延在するように、室温において前記管体内に配置する。

前記管体は、有利には、工場において、少なくとも１８０度の角度だけ曲げられた形態で予め作製され得る。次いで、前記管体は、一体部品として組立現場に輸送されることができ、組立現場にて、電気エネルギーの伝送リンクの前記超電導ケーブルを包囲している前記クライオスタットに接続され得る。この曲げられた形態により、前記管体が、組立現場で占める空間が比較的小さくなる。これは、特に、前記クライオスタットと前記ケーブルとが接続スリーブ（ケーブルを取り囲んでいる連続しているクライオスタットに接続するように機能する）に接続されるときに、常に有利である。なぜなら、一般的に、建設トレンチにおいて、利用可能なスペースがわずかしかないからである。前記管体の前記内管の、前記大きい方の曲げ半径に対応するように曲げられた壁部付近に少なくとも配置されたケーブルは、前記管体内で、冷却及びそれに伴う収縮中に移動することがある。室温での開始位置において、ケーブルは、前記管体内で「外側」の最大曲げ半径で延在しており、ケーブルの長さが冷却に対応して収縮すると、前記管体内で「内側に」（すなわち、前記内管の、小さい方の曲げ半径を有する壁部の方向に）移動する。この場合、前記超電導ケーブルの、前記クライオスタット内での軸方向における短縮も補償される。

前記管体内での組立中、超電導ケーブルは、有利には、前記管体の前記内管の、前記大きい方の曲げ半径で曲げられた壁部に直接接触して延在するように配置される。その結果、組立が簡略化され、そして、前記ケーブルが前記管体内で移動するための利用可能な最大空間が存在する。

前記管体が曲げられる角度は、伝送リンクの長さに依存する。例えば、１８０度の曲げ角度が１５０ｍの長さの伝送リンクに適用される。３００ｍの長さの伝送リンクの場合、曲げ角度は、例えば３６０度であり得る。４５０ｍの長さの伝送リンクの場合には、５４度の曲げ角度が有利に適用可能である。

本発明による方法を、例示的な実施形態として、図面に基づいて説明する。

本発明による方法の使用に適した装置の概略図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面の拡大図である。 図１に示した装置にて使用され得る管体を示す。 図３に関して管体の一部が改変された実施形態を示す。 管体のさらなる実施形態を概略的に示す。 管体のさらなる実施形態を概略的に示す。

図１において、２つの終端部１及び２が、電気エネルギーの伝送リンクの固定部分として概略的に示されている。このような終端部は公知であるため、これらの終端部の構成に関しては、これ以上詳細に説明しない。２つの終端部１及び２に、クライオスタットＫＲと、クライオスタットＫＲ内に配置された超電導ケーブルＳＫ（図２）とが固定的に取り付けられている。終端部１又は終端部２の少なくとも一方が、接続スリーブであってもよい。図１に示されている例示的な実施形態において、終端部１とクライオスタットＫＲとの間に、小箱３により示されている管体ＲＫが存在する。管体ＲＫの構成及び機能原理を、図３〜図６に基づいて説明する。

図２によれば、クライオスタットＫＲは、同軸状に且つ互いに間隔を有して配置された２つの金属管、すなわち、外側の管４と内側の管５とから成り、これらの管の間に、スペーサ及び真空断熱材６が配置されている。管４及び管５は、有利には、ハイグレード鋼から成る。これらの管は、その長手方向を横切る方向に波形状にされていてよく、従って、良好に曲がり得る。クライオスタットＫＲは、ケーブルＳＫの他に、キャビティＨＲも取り囲んでいる。このキャビティＨＲを冷媒が通過できる。超電導ケーブルＳＫは、任意の所望の構成にされ得る。２本以上の超電導ケーブルをクライオスタットＫＲ内に収容することも可能である。

図３に、管体ＲＫが概略的に示されている。管体ＲＫは１８０度曲げられて、その一端がクライオスタットＫＲに接続され、他端は、終端部１（これもまた概略的にのみ図示）に接続されている。クライオスタットＫＲと同様に、管体ＲＫは、互いに対して同心状に配置された２つの金属管、すなわち、外管７及び内管８から成る。２つの管７及び管８の間に真空断熱材９が設けられている。管７及び管８は、有利には、ハイグレード鋼から成る。これらの管は、その長手方向を横切る方向に波形状にされてよい。しかし、有利には、管７及び管８を、平滑な管としても構成し得る。

組立位置において、管体ＲＫの外管７はクライオスタットＫＲの外管４に、固定及び密閉されて接続される。これらの管は、例えば互いに溶接される。この接続は、管体ＲＫの内管８とクライオスタットＫＲの内管５との接続に関しても同様である。管体ＲＫの管７と管８とは、その他端にて終端部１に、例えばフランジ接続部１０を介して、固定及び密閉されて接続される。

本発明による方法は、例えば、図３に示した構成の実施形態に関して、以下のように実行される。

約１５０ｍの長さを有するクライオスタットＫＲを、伝送リンクに沿って、クライオスタットＫＲの一端が終端部１の近傍に配置されるように敷設する。クライオスタットＫＲにより取り囲まれた超電導ケーブルＳＫは、有利には、製造業者の工場にて、クライオスタットＫＲ内に、所定の長さだけクライオスタットＫＲから突出するように配置されている。クライオスタットＫＲを敷設現場に運搬している間、適切な被覆により、クライオスタットＫＲを機械的損傷から保護しければならない。突出しているケーブルＳＫの長さは、管体ＲＫの長さと、終端部又は接続スリーブに必要な長さとにより決定される。

管体ＲＫとクライオスタットＫＲとの上述の接続前に、ケーブルＳＫは管体ＲＫ内に設置されている。そして、ケーブルＳＫは、フランジ１０が設けられた管体ＲＫの端部にて、管体ＲＫから、終端部１に接続可能な程度に突出している。この場合、ケーブルＳＫは、有利には、管体ＲＫ内に、管体ＲＫの内管８に（正確に述べると、大きい方の曲げ半径Ｒａで曲げられた内管８の壁部に）接触して延在するように配置される。このとき、ケーブルＳＫは、図３に対応する方法で、管体ＲＫにより取り囲まれた空間にて外部に向かって可能な限り遠くまで延在している。この位置にて、ケーブルＳＫも終端部１に接続される。いずれの場合も、ケーブルＳＫは、管体ＲＫの内管８の上述の壁部のすぐ近くに位置することが意図されている。

超電導ケーブルＳＫが内包された管体ＲＫの組立を上述の方法で完了した後、クライオスタットＫＲに冷媒を流通させる。その結果、ケーブルＳＫは冷却される。それにより、ケーブルＳＫの長さが約０．３％短縮される。この短縮は、クライオスタットＫＲ内の軸方向において影響を与えるだけでなく、管体ＲＫに収容されているケーブルＳＫの長さにも影響を与える。この短縮により、ケーブルＳＫは、管体ＲＫ内で（正確に述べるならば、図３に矢印で示されている管体ＲＫの「内側」方向に）移動できる。破線で図示されている達成可能な最大終端位置において、ケーブルＳＫは、管体ＲＫの内管８の、小さい方の半径Ｒｉで曲げられた壁部に接触配置されることができる。このようにして、管体ＲＫにより取り囲まれた空間は、ケーブルＳＫが引張応力を受けずに短縮することを可能にするために使用される。

管７及び管８が、クライオスタットＫＲの対応する管４及び管５よりも大きい直径を有し、管体ＲＫがそこから曲げられていることにより、管体ＲＫにより取り囲まれた空間が増大される。これが、図４（クライオスタットＫＲから管体ＲＫへの遷移部のみを示す）に示されている。図示されている例示的な実施形態において、互いに接続されるべき管の間に、ほぼ円錐形に構成された遷移部品１１及び１２がそれぞれ配置されている。また、遷移部品１１及び遷移部品１２が、異なる幾何学的形状を有してもよい。端部位置において、遷移部品１１及び遷移部品１２は、クライオスタットＫＲの管４及び管５に、また、管体ＲＫの管７及び管８にも、固定的に接続され、好ましくは溶接される。

本発明による方法を、管体ＲＫの曲げ角度が１８０度で十分である１５０ｍの長さのクライオスタットＫＲに関して上述した。長さがより長いクライオスタット（対応するより長いケーブルＳＫを有する）の場合には、ケーブルＳＫの移動のための利用可能空間をより広くするために、管体ＲＫの長さも延長されなければならない。例えば、管体ＲＫは、曲げ角度が９０度（或いは、９０度の倍数の角度）の管体によって延長され得る。

３００ｍの長さのクライオスタットＫＲに適した管体ＲＫは、例えば３６０度だけ曲げられる。これは図５に概略的に示されており、管７及び管８から成る管体ＲＫに対応する線のみが図示されている。さらにより長い管体ＲＫが、図６に同様に概略的に示されている。この管体は５４０度だけ曲げられ、４５０ｍの長さのクライオスタットＫＲに有利に使用され得る。

以上に記載した全ての実施形態において、管体ＲＫを、それぞれ９０度曲げられた、予め作製された部品から接合してもよい。これらの部品は互いに溶接される。これは製造業者の工場で既に行われていてもよいが、有利には組立現場で行われ得る。

１ 終端部
２ 終端部
３ 小箱（管体）
４ クライオスタットの外管
５ クライオスタットの内管
６ 真空断熱材
７ 管体の外管
８ 管体の内管
９ 真空断熱材
１０ フランジ接続部
１１ 遷移部品
ＫＲ クライオスタット
ＲＫ 管体
Ｒａ 大きい方の曲げ半径
Ｒｉ 小さい方の曲げ半径
ＳＫ 超電導ケーブル

Claims (3)

1. 少なくとも１つの超電導ケーブルと、当該超電導ケーブルを取り囲むクライオスタットとを用いた、電気エネルギーの伝送リンクをセットアップするための方法であって、
   前記クライオスタットが、互いに対して同心状に配置された２つの金属管、すなわち、外管及び内管から成り、当該２つの管の間に真空断熱材が設けられており、
   前記クライオスタット（ＫＲ）の少なくとも一端に、曲げられた形態で延在している管体（ＲＫ）が隙間を有さずに接続され、当該管体（ＲＫ）が、前記クライオスタットと同様に互いに対して同心状に配置された２つの金属管、すなわち、外管（７）及び内管（８）から成り、当該２つの管の間に真空断熱材（９）が設けられており、組み立てられた状態における前記管体（ＲＫ）の自由端と、前記管体（ＲＫ）により囲まれた前記超電導ケーブル（ＳＫ）とが前記伝送リンクの固定部分に接続され、且つ、前記ケーブルを超電導状態にするために冷媒が前記クライオスタット内に流通され、
   ‐少なくとも１８０度の角度だけ曲げられ且つ前記クライオスタット（ＫＲ）に固定及び密閉されて接続される管体（ＲＫ）が用いられ、且つ、
   ‐前記管体（ＲＫ）を作製するために、前記クライオスタット（ＫＲ）の対応する管（４，５）よりも大きい直径を有する管（７，８）が用いられ、
   ‐前記クライオスタット（ＫＲ）から突出している前記超電導ケーブル（ＳＫ）が、前記内管（８）の大きい方の曲げ半径（Ｒａ）を有する壁部の少なくともすぐ近くに延在するように、室温において前記管体（ＲＫ）内に配置される、方法。
2. 前記管体（ＲＫ）が製造業者の工場にて予め作製されてから組立現場に輸送され、当該組立現場で前記クライオスタット（ＫＲ）に固定及び密閉されて接続されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記超電導ケーブル（ＳＫ）が、室温において前記管体（ＲＫ）の前記内管（８）の前記大きい方の曲げ半径（Ｒａ）で曲げられた壁部に接触するように、前記管体（ＲＫ）内に配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

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