JP7186052B2 - 超電導ケーブルの中間接続部、超電導ケーブル線路及び超電導ケーブルの中間接続方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導ケーブルの中間接続部、超電導ケーブル線路及び超電導ケーブルの中間接続方法に関する。

従来、極低温で超電導状態になる超電導線材を導体として用いた超電導ケーブルが知られている。超電導ケーブルは、大電流を低損失で送電可能な電力ケーブルとして期待されており、実用化に向けて開発が進められている。

超電導ケーブルは、フォーマ（心材）の外周に、例えば、不織布、クラフト紙などの絶縁層が配置され、その絶縁層上に、テープ状の超電導線材を巻き付けて超電導層が設けられている。
超電導ケーブルでは、フォーマとして、フレキシブルな金属製のコルゲート管が使用され、導体中心に液体窒素の流路を設け、冷却効率を向上させる構造をとることが多い。また、大電流送電を可能とするために、超電導線材は、同心円状に多層に配置されている場合もある。なお、多層配置された超電導線材の層間には、超電導線材を押えるとともに、超電導線材間での電気絶縁をとる絶縁層が設けられる。

超電導ケーブルは、離れた超電導応用機器同士を接続する場合等、超電導ケーブルの敷設距離が長い場合、複数の超電導ケーブル同士を接合して用いることが考えられる。

超電導ケーブル同士を接続する場合、超電導線材による超電導層同士を接続する前に、まず、フォーマであるコルゲート管同士を接続する必要がある。

コルゲート管において外周部分の山谷部は、管の長手方向にらせん状に形成されており、製造上、各コルゲート管の開口端部の形状は同一に形成されてないことが多い。このため、コルゲート管同士を接合する場合、互いの開口端部を突き合わせたときに、断面形状が同一にならず、コルゲート管同士を直接接続することは困難である。

よって、コルゲート管同士を接続する際には、例えば、特許文献１のように、コルゲート管の端部のそれぞれの外周側に、フランジ部を有する継手を固着し、周方向に延びる継手のフランジ部を対峙させ、クランプを周設させて回動させることにより連通した孔同士に、ボルトを挿通してナットを係合させることで両者を結合することが考えられている。

また、ボルトナット締め以外の結合によりコルゲート管同士を接続する場合には、コルゲート管の端部にコルゲート管よりも外径の大きいリングを溶接し、そのリング同士を溶接する構成も考えられる。

実用新案登録第２５８６１１４号公報

しかしながら、従来のコルゲート管の接続構造を超電導ケーブルのフォーマの接続に適用する場合には、以下の問題がある。

１）フォーマ同士の接続を溶接で行う場合、溶接部位が非常に高温になり、上層の絶縁層及び超電導層を構成する超電導ケーブルの構成材料である絶縁紙（不織布、クラフト紙など）や超電導線材の特性劣化に影響が生じる。このため、熱影響を小さくするため、フォーマ上の絶縁層及び超電導層を、フォーマ同士の接続部分から軸方向に遠ざけるように、フォーマの露出部分の余長が必要となる。

２）フォーマの端部にリングを溶接する場合、コルゲート管の端部をツバ出ししてフランジ部を設け、このフランジ部にリングを溶接するため、リングの外径が大きくなる。

３）リングを溶接する場合、溶接されたリングのゆがみや溶接材の盛りにより、接合部分に凹凸が生じる可能性がある。

４）フォーマ同士の接続は、超電導ケーブルを敷設する現場で行うため、大掛かりな装置での加工を行うことが困難である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、超電導ケーブルの特性を劣化させることなくコンパクトな形状で容易に組みたてることができる超電導ケーブルの中間接続部、超電導ケーブル線路及び超電導ケーブルの中間接続方法を提供することを目的とする。

本発明の超電導ケーブルの中間接続部の一つの態様は、
フォーマとしてのコルゲート管同士を接続する超電導ケーブルの中間接続部であって、
突き合うように配置される前記コルゲート管の端部と、
前記コルゲート管の端部同士の外周を覆うように配置されるスリーブとを有し、
前記スリーブと前記コルゲート管とは、前記スリーブの外側から挿入されるブラインドリベットにより接合され、
前記ブラインドリベットは、前記コルゲート管の端部において外周面で窪む谷部を貫通して内周面で係合して接合される構成を採る。

本発明の超電導ケーブル線路の一つの態様は、
超電導層を有する超電導ケーブルと、
上記構成の超電導ケーブルの中間接続部とを有し、
前記超電導層同士が前記中間接続部を跨いで接続されている構成を採る。

本発明の超電導ケーブルの中間接続方法の一つの態様は、
フォーマとしてのコルゲート管同士を接続する超電導ケーブルの中間接続方法であって、
前記コルゲート管の端部を、互いの端部が付き合うように、スリーブ内に配置し、前記スリーブの外側からブラインドリベットを挿入して、前記スリーブと前記コルゲート管とを接合し、
前記ブラインドリベットは、前記コルゲート管の端部において外周面で窪む谷部を貫通して内周面で係合して接合される、ようにした。

本発明によれば、超電導ケーブルの特性を劣化させることなくコンパクトな形状で容易に組みたてることができる。

本発明に係る一実施の形態の超電導ケーブルの中間接続部の構成を示す超電導ケーブル線路の外観図である。 本発明に係る一実施の形態の超電導ケーブルの中間接続部の構成を示す超電導ケーブル線路の縦断面図である。 コルゲート管同士の接続部分を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

＜超電導ケーブルの中間接続部及び超電導ケーブル線路＞
図１は、本発明に係る一実施の形態の超電導ケーブルの中間接続部１０の構成を示す超電導ケーブル線路１の外観図であり、図２は、本発明に係る一実施の形態の超電導ケーブルの中間接続部１０の構成を示す超電導ケーブル線路１の縦断面図である。
なお、図１及び図２では、超電導ケーブル２、３を収容する断熱管２８において、超電導ケーブル２、３同士の接続部分を覆う部位を便宜上省略している。

本実施の形態の超電導ケーブルの中間接続部１０は、端部同士を接続した超電導ケーブル２、３を含む超電導ケーブル線路１に含まれる。超電導ケーブルの中間接続部１０は、超電導ケーブルのフォーマ（コルゲート管２０、３０）同士の接続部分である。

超電導ケーブルの中間接続部１０では、一対の超電導ケーブル２、３のフォーマであるコルゲート管２０、３０が突き合うように配置されている。超電導ケーブルの中間接続部１０は、互いに突き合うコルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａと、端部２０ａ、３０ａ同士の外周を囲むスリーブ５とをブラインドリベット６により締結することにより構成される。

超電導ケーブルの中間接続部１０は、コルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａと、スリーブ５と、ブラインドリベット６と、を有しており、少なくともこれら部材により構成されている。

超電導ケーブル２、３は、コルゲート管２０、３０と、コルゲート管２０、３０の外周に配置される絶縁層２２、３２と、絶縁層２２、３２の外周に配設される超電導層２４、３４とを有する。超電導層２４、３４の外周には、カーボン紙からなる半導電層２６、３６が配設されている。半導電層２６、３６の外周には不織布などが巻回され絶縁層がさらに配設されてもよい（図示略）。
なお、図１及び図２に示す超電導ケーブル２、３は、フォーマとしたコルゲート管２０、３０の外周に、一層の超電導層２４、３４を有する構成としたが、これに限らず、接続される超電導ケーブル２、３は複数層の超電導層を有する構成としてもよい。スリーブ５とともに、スリーブ５により接続され超電導ケーブル線路１を構成する超電導ケーブル２、３は、敷設時では断熱管２８に収容される。

コルゲート管２０、３０は、可撓性を有し超電導ケーブル２、３の長手方向に沿って延在する。コルゲート管２０、３０の外周面には外周面に周方向（具体的には螺旋状）に延在する山部２０２、３０２（図３参照）及び谷部２０４、３０４（図３参照）が設けられている。
山部２０２、３０２及び谷部２０４、３０４は、コルゲート管２０、３０を外周面側からみた形状であり、山部２０２、３０２は、コルゲート管２０、３０の外周面で凸状であり、且つ、内周面で凹状に窪む。谷部２０４、３０４は、コルゲート管２０、３０の外周面で凹状に窪み、且つ、内周面で凸状に軸心側に突出する。
コルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａには、外周面側に窪む谷部２０４、３０４に、軸方向と直交するように貫通し、ブラインドリベット６が挿入される止着孔２０３、３０３が穿孔されている（図３参照）。

コルゲート管２０、３０は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属により形成されている。コルゲート管２０、３０の内部には、液体窒素等を通過させることが可能である。コルゲート管２０、３０は、本実施の形態では、液体窒素等を通過させて超電導層２４、３４を内側から冷却する冷媒管として機能する。

コルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａでは、上層に位置する絶縁層２２、３２及び超電導層２４、３４がそれぞれ剥がされており、これら端部２０ａ、３０ａの外周面側に配置されたスリーブ５に接続されている。コルゲート管２０、３０はスリーブ５とともに、コルゲート管２０、３０の外部に液体窒素が漏れないように水密的に接合されることが望ましい。

絶縁層２２、３２は、コルゲート管２０、３０と、超電導層２４、３４との間の絶縁を確保する。本実施の形態では、絶縁層２２、３２は、テープ状の不織布を、コルゲート管２０、３０の外周に、これら外周を覆うようにスパイラル状に巻回することにより構成され、コルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａの手前で剥がされている。
絶縁層２２、３２は、コルゲート管２０、３０の外周面を被覆して配置され、上の層として設けられる超電導層２４、３４への電気的絶縁機能を有するものであればどのように構成されてもよい。絶縁層２２、３２は、例えば、クラフト紙、ポリプロピレンをクラフト紙でラミネートした半合成紙及び不織布のうち少なくとも一つをコルゲート管２０、３０の外周面に巻き付けることにより構成されてもよい。

超電導層２４、３４は、例えば、不織布により構成された絶縁層２２、３２の外周面に、複数のテープ状の超電導線材（超電導テープ）をスパイラル状に巻回することにより構成されている。
超電導線材は、例えば、ＲＥＢａ_ｙＣｕ_３Ｏ_ｚ系（ＲＥは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ及びＨｏから選択された１種以上の元素を示し、ｙ≦２及びｚ＝６．２～７である。）の高温超電導薄膜を備える。高温超電導薄膜は、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金、又はステンレス鋼等のテープ状の金属製の基板上に成膜された中間層上に成膜される。この超電導薄膜の表面に銀等からなる保護層を積層することにより超電導線材は作製されている。

スリーブ５は、突き合うように配置された超電導ケーブル２、３のコルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａ同士の外周を覆うように配置されている。スリーブ５には、貫通孔５０２（図３参照）が形成され、ブラインドリベット６が挿入されている。

図３は、コルゲート管２０、３０同士の接続部分を示す拡大断面図である
貫通孔５０２は、外周面側にざぐり部５０２ａを有することが好ましい。貫通孔５０２は、ブラインドリベット６が挿入された際に、ブラインドリベット６のフランジ部６２がざぐり部５０２ａに係合し、フランジ部６２が、スリーブ５の外周面から突出しないように構成している。ここでは、貫通孔５０２のざぐり部５０２ａは、挿入されるブラインドリベット６のフランジ部６２の外周面が、スリーブ５の外周面に略面一となるように形成されている。

スリーブ５は、超電導ケーブル２、３のコルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａを覆う軸方向の長さを有し、且つ、コルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａを収容可能な内径を有する。スリーブ５の内径は、コルゲート管２０、３０の外径と略同じであり、コルゲート管２０、３０が嵌まる大きさであることが好ましい。

スリーブ５は、金属製の筒状接続管であり、本実施の形態では、コルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａが、両端の開口から挿入されている。なお、スリーブ５は、組み合わせることにより金属製筒状体となる断面円弧状の分割体により形成されてもよい。

ブラインドリベット６は、スリーブ５とコルゲート管２０、３０とに、それぞれの周壁部分の厚み方向、つまり半径方向（図３の紙面上下方向）に架設されて、双方を締結する。ブラインドリベット６は、スリーブ５に対して、コルゲート管２０とコルゲート管３０とを、軸を中心にそれぞれ周方向で等間隔となる位置で締結している。

ブラインドリベット６は、スリーブ５の外周面に掛止するフランジ部６２と、フランジ部６２から突出するリベット軸部６４と、リベット軸部６４の先端側で膨出し、コルゲート管２０、３０の内周面側で掛止する膨出部６６とを有する。
ブラインドリベット６の膨出部６６は、締結対象物（本実施の形態では、コルゲート管２０、３０）の孔（止着孔２０３、３０３）に、締結対象物の表面側から挿入される際には、孔（止着孔２０３、３０３）の径よりも外径が小さい。膨出部６６は、孔（止着孔２０３、３０３）内に挿入して締結位置（コルゲート管２０、３０の内周面）で位置した後、リベット軸部６４が、孔（止着孔２０３、３０３）から引き抜かれることにより、外径が孔の径よりも大きくなり、締結位置（コルゲート管２０、３０の内周面）で掛合する。

ブラインドリベット６は、スリーブ５の外方から半径方向内方に挿入する（矢印Ｂ）ことで、スリーブ５とコルゲート管２０、３０とを締結する。

本実施の形態では、ブラインドリベット６は、スリーブ５と、コルゲート管２０、３０のそれぞれにおいて外側で凹状となる谷部２０４、３０４とに形成された止着孔２０３、３０３に、リベット軸部６４を挿入して、双方を締結している。
なお、コルゲート管２０、３０の谷部２０４、３０４はそれぞれ螺旋状に形成されているため、ブラインドリベット６は、スリーブ５とコルゲート管２０とを、周方向で等間隔離れた位置で、且つ、軸方向にずれた位置で、締結する。また、ブラインドリベット６によるスリーブ５とコルゲート管３０との締結位置も、同様に、周方向で等間隔離れた位置で、且つ、軸方向にずれた位置となっている。

ブラインドリベット６は、コルゲート管２０、３０において谷部２０４、３０４で締結されるため、フランジ部６２は、スリーブ５で掛合し、膨出部６６は、コルゲート管２０、３０の内面で、谷部２０４、３０４において内側に突出する部位の先端で掛合する。ブラインドリベット６は、リベット軸部６４を介してフランジ部６２と膨出部６６とによりスリーブ５とコルゲート管２０、３０とを強固に挟持する。

超電導ケーブル２、３の絶縁層２２、３２とコルゲート管２０、３０の外周面との間、およびスリーブ５とコルゲート管２０、３０の外周面との間には、段差４２が形成されており、これを含む部位に充填剤が埋設され、表面が平坦な平坦部７０が配設されている。

平坦部７０は段差４２を含む部位に充填剤が埋設されることにより構成される。

充填剤は、絶縁性を有する。充填剤は、本実施の形態では、塗布後に硬化するものであり、例えば、速硬化性のエポキシパテである。充填剤は、粘弾性を有する硬化剤と主剤とを混合することにより硬化する材料であることが好ましい。充填剤としては、例えば、アラルダイト（登録商標）ＡＶ／ＨＶ１５８０を用いてもよい。
充填剤は導電性を有するものであってもよく、その例として金属フィラーが含有された樹脂を使用しうる。

充填剤は、段差４２を含む部位に塗布されて硬化することにより、平坦な平面状態となっている。
これにより、超電導ケーブル２、３の絶縁層２２、３２の端部間で（スリーブ５を介して）平坦な表面が形成され、その上で、超電導線材を接続して、一対の超電導ケーブルのそれぞれの超電導層２４、３４を好適に設けることができる。
また、充填剤による構成される平坦部７０は、ブラインドリベット６によるスリーブ５とコルゲート管２０、３０との接続を補強する。

超電導ケーブル２、３のフォーマ（コルゲート管２０、３０）の端部がスリーブ５内に配置され、スリーブ５にブラインドリベット６を介して接合されている。
また、コルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａ近傍の絶縁層２２、３２（不織布による層）間はスリーブ５を介して充填剤を埋設してなる平坦部７０により面一である。これらの上には超電導線材が正確に巻き付けられ、超電導層２４、３４の接続が確実に好適に行われる。
「超電導ケーブル線路１」とはかかる状態のものを意味し、超電導層２４、３４同士が中間接続部１０を跨いで接続され、中間接続部１０を介して電流が流れる状態のものを意味している。

＜超電導ケーブルの中間接続方法＞
超電導ケーブルの中間接続部を製造する超電導ケーブルの中間接続方法では、まず、スリーブ５の所定位置に貫通孔５０２を形成する。
次いで、一対の超電導ケーブル２０、３０において、接続するそれぞれの端部で露出したフォーマであるコルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａを、スリーブ５に対して、開口部の両側から挿入する。

次いで、スリーブ５の外側からスリーブ５の貫通孔５０２を介してコルゲート管２０、３０の谷部２０４、３０４に対し孔を開けて止着孔２０３、３０３を形成し、貫通孔５０２および止着孔２０３、３０３にブラインドリベット６を挿入する。ブラインドリベット６の締結対象物への挿入は、周知のようにリベッターを用いる。

このとき、スリーブ５の貫通孔５０２と、コルゲート管２０、３０の所定の谷部２０４、３０４に形成された止着孔２０３、３０３とは連続しており、その連続した各孔に、先端に膨出前状態の膨出部６６が設けられたリベット軸部６４を挿入し、膨出部６６をコルゲート管２０、３０の内側に位置させる。
次いで、リベッターを用いてこれを引き抜くことにより、膨出部６６は、コルゲート管２０、３０の内壁面に当接して残り、ブラインドリベット６が残った状態でスリーブ５とコルゲート管２０、３０とが接合される。

その後は超電導ケーブル２、３の絶縁層２２、３２の端部間の段差４２を含む部位に対し充填剤を塗布してこれを硬化させることにより、絶縁層２２、３２の端部間に平坦部７０を形成することができる。そして絶縁層２２、３２と平坦部７０との上で超電導層２４、３４を接続することにより、超電導ケーブル線路１を構成することができる。
平坦部７０を形成する場合、絶縁層２２、３２の外周面とスリーブ５の外周面との高さが同じときはこれら部材間にのみ充填剤を塗布し、絶縁層２２、３２、平坦部７０およびスリーブ５で面一とするのがよい（スリーブ５の外周面は露出している。）。他方、絶縁層２２、３２の外周面がスリーブ５の外周面より高いときはスリーブ５上にも充填剤を塗布し、絶縁層２２、３２および平坦部７０で面一とするのがよい（スリーブ５の外周面は平坦部７０で被覆されている）。

＜まとめ＞
以上の本実施の形態によれば、超電導ケーブル２、３のフォーマ同士を接続する際に、フォーマがコルゲート管２０、３０であっても、ブラインドリベット６により、外周面側に凸部を形成することなく好適に接合でき、上層の超電導層２４、３４同士を平坦な面状で好適に接合させることができる。つまり、超電導ケーブルの中間接続部１０によれば、溶接等により加熱すること無く、接続できるので、超電導ケーブル２、３の特性を劣化させることがない。

また、従来と異なり継手や、リング等を用いることがなく、接合部分を、コンパクトな形状で容易に組みたてることができる。

また、本実施の形態では、ブラインドリベット６のリベット軸部６４の長さは、コルゲート管２０、３０に対して、山部２０２、３０２で締結する場合（Ｌ２）よりも、谷部２０４、３０４で締結する方が、リベット軸部６４の長さ（Ｌ１）が長く（Ｌ１＞Ｌ２）なっている。

これにより、コルゲート管２０、３０内に冷媒（液体窒素）を充填させて超電導ケーブルの中間接続部１０を超電導ケーブル線路１として用いる場合、冷却によりコルゲート管２０、３０が収縮しても、リベット軸部６４の長さＬ１が、ブラインドリベット６が山部２０２、３０２に設けられる場合の長さＬ２よりも長いので、コルゲート管２０、３０の収縮に応じて収縮でき、スリーブ５に影響を与えること無く、超電導ケーブル線路１を使用できる。

また、コルゲート管２０、３０内の冷媒によりコルゲート管２０、３０を含む超電導ケーブル２、３の構成要素が収縮して曲がる場合でも、これに追従して変形でき、好適に使用できる。

なお、本実施の形態の超電導ケーブル２、３では、フォーマの外周面に絶縁層を介して複数層の超電導層を設けてもよく、通常の単相ケーブルはもちろんであるが、三相同軸ケーブルでも、コンパクトな同径接続が可能となる。

また、コルゲート管２０、３０の端部２０ａ、３０ａ同士を、短時間で容易に接続でき、使用する部材、工具も安価であり製作コストの低廉化を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明した。なお、以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されない。つまり、上記装置の構成や各部分の形状についての説明は一例であり、本発明の範囲においてこれらの例に対する様々な変更や追加が可能であることは明らかである。

１ 超電導ケーブル線路
２、３ 超電導ケーブル
５ スリーブ
６ ブラインドリベット
１０ 中間接続部
２０、３０ コルゲート管
２０ａ、３０ａ 端部
２２、３２ 絶縁層
２４、３４ 超電導層
２６、３６ 半導電層
２８ 断熱管
４２ 段差
６２ フランジ部
６４ リベット軸部
６６ 膨出部
７０ 平坦部
２０２、３０２ 山部
２０３、３０３ 止着孔
２０４、３０４ 谷部
５０２ 貫通孔
５０２ａ ざぐり部

Claims (3)

1. フォーマとしてのコルゲート管同士を接続する超電導ケーブルの中間接続部であって、
   突き合うように配置される前記コルゲート管の端部と、
   前記コルゲート管の端部同士の外周を覆うように配置されるスリーブとを有し、
   前記スリーブと前記コルゲート管とは、前記スリーブの外側から挿入されるブラインドリベットにより接合され、
   前記ブラインドリベットは、前記コルゲート管の端部において外周面で窪む谷部を貫通して内周面で係合して接合される、
   超電導ケーブルの中間接続部。
2. 超電導層を有する超電導ケーブルと、
   請求項１記載の超電導ケーブルの中間接続部とを有し、
   前記超電導層同士が前記中間接続部を跨いで接続されている、超電導ケーブル線路。
3. フォーマとしてのコルゲート管同士を接続する超電導ケーブルの中間接続方法であって、
   前記コルゲート管の端部を、互いの端部が付き合うように、スリーブ内に配置し、前記スリーブの外側からブラインドリベットを挿入して、前記スリーブと前記コルゲート管とを接合し、
   前記ブラインドリベットは、前記コルゲート管の端部において外周面で窪む谷部を貫通して内周面で係合して接合される、
   超電導ケーブルの中間接続方法。

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