JPH09231841A

JPH09231841A - 高電力用の超伝導ケーブル

Info

Publication number: JPH09231841A
Application number: JP8347702A
Authority: JP
Inventors: Metra Piero; ピエロ・メトラ; Nassi Marco; マルコ・ナッシ
Original assignee: Pirelli Cavi SpA; Cavi Pirelli SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 1997-09-05
Also published as: EP0786783A1; EP0786783B1; CA2193917A1; DE69630103D1; AU730497B2; NZ299952A; ITMI952776A1; BR9604768B1; AU7532296A; AR005298A1; US20030010527A1; BR9604768A; DE69630103T2; US6512311B1; KR970051480A; IT1277740B1; US6255595B1; ITMI952776A0

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】相導体及び中立導体から成る超伝導コアを備
え、該同軸状導体が、誘電性材料を介在させることによ
り互いに電気的に絶縁され、更に、上記超伝導材料の臨
界温度以下の温度に上記コアを冷却させる手段を備える
超伝導ケーブル。【解決手段】少なくとも１つの相を有する高電力用の
超伝導ケーブル１は、複数の要素３が収容された超伝導
コア２を備え、該複数の要素が構造的に独立し且つ磁気
的に非結合状態にあり、該要素の各々が、各相に対し
て、その各々が、誘電性材料８を介在させることによ
り、少なくとも１つの超伝導材料の層から電気的に絶縁
された少なくとも１つの超伝導材料層８により形成され
る、相導体及び中立導体という同軸状の一対の導体を備
えている。超伝導材料を幾つかの同軸状の導電性要素３
に分けることにより、ケーブル１は、磁界に対して反応
する高温の超伝導材料を使用しつつ、超伝導状態にて多
量の電流を伝達することを許容する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全体的な形態に
て、いわゆる超伝導状態、即ち、電気抵抗が略零である
状態にて電流を伝達するために使用されるケーブルに関
する。

【０００２】より具体的には、本発明は、少なくとも１
つの相を有する高電力用の超伝導ケーブルであって、相
導体及び中立導体（相導体の外側で且つ該相導体と同軸
状であり、その導体の各々が少なくとも１つの超伝導材
料層を含む）から成る超伝導コアを備え、該同軸状導体
が、誘電性材料を介在させることにより互いに電気的に
絶縁され、更に、上記超伝導材料の臨界温度以下の温度
に上記コアを冷却させる手段を備える超伝導ケーブルに
関する。

【０００３】

【従来の技術】以下の説明、及び特許請求の範囲におい
て、高電力用ケーブルとは、全体として、５，０００Ａ
以上の電流を伝達して、発生された磁界が超伝導状態に
て達成可能である最大の電流密度の値を小さくさせ始め
るようにするために使用されるケーブルを意味するもの
とする。

【０００４】以下の説明、及び特許請求の範囲におい
て、超伝導材料とは、例えば、特殊なニオブ−チタニウ
ム合金、又は銅、バリウム、イットリウム、又はビスマ
ス、鉛、ストロンチウム、カルシウム、銅、タリウム及
び水銀のセラミック系混合酸化物のような材料を意味す
るものとする（臨界温度、又はＴｃとして規定された所
定の温度にて抵抗値が略零である超伝導相を含む）。

【０００５】用語：超伝導体、又は略して導体は、以下
において、超伝導状態下にて電流を伝達することのでき
る全ての要素を意味するものとする。例えば、管状コア
（又は支持コアに巻いた超伝導材料のテープ）により支
持された超伝導材料層のようなものである。公知である
ように、エネルギの伝達分野において、解決がより困難
な問題点は、超伝導状態で伝達される電流の量、及びそ
の伝達が為されるときの温度を可能な限り増大させるこ
とである。いわゆる「高温」超伝導材料（７０−７７°
Ｋ（約−２０３／−１９６°Ｃ）の程度の温度にて電流
を伝達することができる）が、今日、公知であるが、発
生する磁界が増大すると、上記材料による電流の伝達能
力が低下することが認識されている。

【０００６】例えば、１９９３年１月の住友電工の技術
レビューＮｒ．３５号におけるＴ・ナカハラ（Ｎａｋａ
ｈａｒａ）による「日本における超伝導の研究開発のレ
ビュー（ＲｅｖｉｅｗｏｆＪａｐａｎｅｓｅＲ＆
ＤｏｎＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）」と
いう記事を参照するとよい。

【０００７】超伝導状況にて、発生された磁界の作用に
対する超伝導材料の感度は、ケーブルの超伝導コアの有
効温度が高ければ高い程より顕著となる（即ち、最高の
臨界温度を有する超伝導材料は磁界の作用に対する感度
がより大きい）。そのため、実際には、高温の超伝導材
料は、数ＫＡよりも多い電流を伝達することができず、
使用される超伝導材料の量を許容し得ない程に増大さ
せ、これに伴って、関連するコストも増大する。いわゆ
る同軸ケーブルの場合（その形態は、高負荷の伝達に適
している）、発生される磁界、伝達された電流、及び導
体の直径は、次式で示されている。

【０００８】Ｂ＝（μ_Ｏ×Ｉ）／（π×Ｄ）ここで、Ｂ＝導体の表面における磁界、Ｉ＝伝達される電流、 μ_Ｏ＝透磁率、Ｄ＝導体の直径。（公知であるように、Ｂ及びＩの値は、直流の実際の
値、又は交流の有効値であるものと理解する。）

【０００９】この関係に基づいて、伝達される電流が増
加する毎に、発生される磁界もそれに比例して増加する
（このことは、程度の差はあっても、超伝導状態にて実
現可能な最大の電流密度、即ち、臨界的な電流と、超伝
導材料層の合計断面積との比によって画成される、技術
的に臨界的な電流密度「Ｊｅ」を制限する）。

【００１０】より具体的には、臨界的な電流密度は、劇
的に減少して（磁界の閾値から開始して２桁に本数も減
少する場合もある）、それ以上になると、超伝導が著し
く損なわれる臨界的な磁界を低下させる。例えば、その
値は、使用される超伝導材料、及び有効温度に対応し
て、０．１から２０ｍＴに変化する。この点に関して
は、例えば、１９９５年６月のＩＥＥＥの応用超伝導の
発表論文（ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮ
ＡＰＰＬＩＥＤＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＥＴ
Ｙ）のｖｏｌ．５、ｎｒ．２、９４９−９５２頁を参照
することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】導体の直径の増加にに
基づいて、臨界的な電流密度を許容可能な値に保つため
の試みは、今日迄、失敗しており、その原因は、大径の
ケーブルを製造し、輸送し、且つ取り付けることが実際
的に困難であること、及び、その超伝導コアを冷却させ
るのに必要なコストが多額であること（放熱は、超伝導
体のコアを取り巻く絶縁層の直径に比例するため）であ
る。

【００１２】このため、こうした技術的な困難性に鑑み
て、４°Ｋ（上述の現象がそれ程、顕著でない温度）に
て、適当な金属、又はセラミック材料により、所望の多
量の電流を伝達するか、又は、超伝導状態における電流
の伝達と適合し得る最高温度（６５°乃至９０°Ｋ）に
て最適ではない超伝導材料の利用率に満足するから、同
軸状ケーブルの分野における技術が実質的に制限され
る。最初の場合、極めて低温にて、超伝導コアを冷却さ
せることに伴う高いコストに直面せざるを得ない一方、
第二の場合には、超伝導材料を極めて多量に使用しなけ
ればならない。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、今日、
利用可能である、超伝導材料の最高の有効温度（６５°
乃至９０°Ｋ）にて少なくとも１つの相の電流を多量に
同軸ケーブルで伝達するという問題点は、各相に対し
て、ケーブル内部の超伝導材料を分割して、複数の
「ｎ」要素にすることにより、解決することができる
（これらの要素は、構造的に独立し且つ磁気的に非結合
状態にあり、これらの要素の各々は、互いに絶縁された
相及び中立な同軸状導体を一対、備えており、全電流の
部分「Ｉ／ｎ」を伝達する。

【００１４】本発明によれば、実際にて、超伝導材料を
このように分けることにより、次のことが可能になるこ
とが確認された。

【００１５】ａ）超伝導材料の同一の使用状態に対し
て、ケーブルの寸法を小さくし、ケーブルの製造、輸
送、及び設置をより容易にすること。

【００１６】ｂ）同一量の超伝導材料に対して、従来の
ケーブルの電気絶縁材料と同一量の材料を使用するこ
と。

【００１７】ｃ）同一量の超伝導材料に対して、ケーブ
ルの超伝導コアを取り巻く断熱層（低温保持装置）の寸
法を制限することができ、その結果、熱の損失が軽減さ
れること。

【００１８】ｄ）必要な場合には、異なる負荷を独立的
に付与することのできる超伝導要素が得られること。

【００１９】好ましくは、上記の要素の各々の相及び中
立の同軸状の導体は、超伝導材料のテープを複数、重ね
合わせて形成されている（例えば、金属、又は絶縁性材
料で出来た管状の円筒状支持体の上に巻いたもの）。

【００２０】その内部における可能な機械的応力を可能
な限り少なくするため、超伝導材料から成るテープは、
１０°乃至６０°の巻き付け角度に従って（テープ毎に
一定又は可変とし、個々のテープ内で可変とする）、上
記の支持体に巻き付ける。

【００２１】これとは別に、上記要素の各々の相及び中
立の同軸状導体は、重ね合わせ且つ管状の円筒状支持体
上に配置した複数の超伝導材料層から成るようにしても
よい。

【００２２】本発明によれば、同軸状の導電性要素の最
大数は、超伝導材料で出来たテープの巻き取り変形（又
は、選択した超伝導材料の臨界的な引っ張り変形）に適
合可能であるかかる要素の最小直径により決まる。

【００２３】上記要素の各々の相導体の直径は、２５乃
至４０ｍｍの範囲で異なることが好ましい。

【００２４】本発明によれば、該ケーブルの超伝導コア
は、好ましくは、いわゆる高温超伝導材料、及び冷却流
体として液体窒素を使用して、６５°乃至９０°Ｋ以下
の温度にて冷却される。

【００２５】こうした高温度の超伝導材料の内、次式を
有する頭文字ＢＳＣＣＯとして当該技術分野で公知のも
のを使用することが有利である。

【００２６】Ｂｉ_αＰｂ_βＳｒ_γＣａ_δＣｕ_εＯ_χ （Ｉ）ここで、αは１．４乃至２．０の数値、βは０乃至０．
６の数値、γは０乃至２．５の数値、δは０乃至２．５
の数値、εは１．０乃至４．０の数値、χは存在する異
なる酸化物に対応する化学量値である。

【００２７】本発明によれば、特に好適なものは、次の
理想的な一般的等式で表される混合酸化物である。

【００２８】（ＢｉＰｂ）₂Ｓｒ₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_nＯ_χ ここで、ｎは１乃至３の整数、χは存在する異なる酸化
物に対応する化学量論値である。

【００２９】上記のうち、ＢＳＣＣＯ−２２２３（即
ち、ｎ＝３）として公知の混合酸化物、又は上記金属の
混合酸化物の適当な混合体を使用し、ＢＳＣＣＯ−２２
２３酸化物の化学量論値に対応する混合体の平均化学量
論値が得られるような比とした場合、特に有利な結果が
得られた。

【００３０】別の形態において、本発明は、少なくとも
１つの相を有する超伝導ケーブルで所定の値よりも大き
い量の電流を伝達する方法であって、上記電流が、各相
に対して磁気的に非結合状態の複数の同軸型式の導電性
要素に分割する（該導電性要素の数は、その各々が運ぶ
電流部分が使用する超伝導材料の導電率を低下させるこ
とのできる磁界に対応した表面的な電流密度を設定する
値よりも小さいようにする）ことを特徴とする方法であ
る。特別な実施の形態において、かかる電流は多相の交
流電流であり、電流が分割される上記導電性要素が単一
相の上記電流を運ぶ。

【００３１】本発明の好適な実施の形態において、上記
所定の量の電流は、少なくとも５，０００Ａに等しい。
本発明による方法において、また、冷却流体として液体
窒素を使用する場合、使用する超伝導材料の導電率を低
下させることのできる磁界は、２００ｍＴ以下、好まし
くは１００ｍＴ以下、より好ましくは２０ｍＴ以下とす
る。

【００３２】更なる特徴及び有利な点は、添付図面に関
して非限定的な一例として以下に掲げた本発明による超
伝導ケーブルの幾つかの実施例に関する以下の説明から
より明らかになるであろう。

【００３３】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明による
３相の超伝導ケーブル１は、各相毎に符号３ａ、３ｂ、
３ｃで示した複数の導電性要素３（例えば、鋼、アルミ
ニウム等のような金属で出来た管状の保持殻体９内に好
ましくは、緩く収容されたもの）から成る、全体として
符号２で示した超伝導コアを備えている。

【００３４】導電性要素３の各々は、各々、超伝導材料
の少なくとも１つの相を含む一対の同軸状導体（それぞ
れ、相及び中立導体４、５）を備えている。

【００３５】図示した実施の形態において、超伝導材料
は、それぞれの管状の支持要素６及び（多分）７に巻か
れた複数の重ね合わせたテープに組み込まれ、該支持要
素は、例えば、ら旋状に巻いた金属テープ又はプラスチ
ック等で出来た管のような適当な材料で形成されてい
る。

【００３６】同軸状の相導体４及び中立導体５は、誘電
材料の層８を介在させることにより、互いに電気的に絶
縁されている。

【００３７】また、ケーブル１は、（図１のケーブルに
おいて、いわゆる「高温」型である）選択した超伝導材
料の臨界温度よりも十分に低い温度まで超伝導コア２を
冷却させる適当な手段を備えている。

【００３８】上記手段は、それ自体公知であり、従って
図示しない適当な圧送手段を備えており、該圧送手段
は、導電性要素３の各々の内部にて、及び上記要素と管
状殻体９との間の隙間の双方にて、例えば、典型的に、
６５°乃至９０°Ｋの温度の液体窒素のような適当な冷
却流体を供給する。外部環境に向けた放熱を可能な限り
少なくするため、該超伝導コア２は、例えば、複数の重
ね合わせた層で出来た断熱体と、少なくとも１つの保護
シースとを備える収容構造体、即ち、低温保持装置１０
内に包み込まれている。

【００３９】当該技術分野で公知の低温保持装置は、例
えば、１９９２年１０月のＩＥＥＥの送電に関する研究
論文（ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＰ
ＯＷＥＲＤＥＬＩＶＥＲＹ）Ｖｏｌ．７、ｎｒ．４、
１７４５−１７５３頁に記載されている。

【００４０】より具体的には、図示した実施例におい
て、低温保持装置１０は、例えば、プラスチック（例え
ば、ポリエステル樹脂）で出来た表面金属溶着の数本
（数十本）のテープで形成した絶縁材料層１１を備えて
いる。このテープは、スペーサ１３を介在させて緩く巻
いた、「超断熱体」として当該技術分野で公知のもので
ある。かかるテープは、管状要素１４により境が設定さ
れた環状の中空スペース１２内に収容されている（該ス
ペース内で、公知の装置により、１０^-2Ｎ／ｍ^２の程度
の真空が保たれる）。

【００４１】金属製のこの管状の要素１４は、環状の中
空スペース１２に対して、望ましい流体密の特性を付与
することができ、また、例えば、ポリエチレンで出来た
外側シース１５で覆われている。

【００４２】金属製の管状要素１４は、管状形態に曲げ
且つ長手方向に溶接したテープ（鋼、銅、アルミニウム
等、又は押出し成形管等で出来ている）で形成すること
が好ましい。

【００４３】ケーブルの可撓性の条件のため、必要であ
るならば、要素１４は波形に形成してもよい。

【００４４】上述の要素に加えて、ケーブル牽引要素を
その構造及びその使用条件に従って軸方向又は円周方向
に配置して、超伝導要素３に付与される機械的応力を制
限することもできる。図示しない牽引要素の各々は、当
該技術分野で周知の技術に従い、円周方向に配置した金
属強化材（例えば、ロープ状の鋼ワイヤー、又は１又は
２以上の軸方向の金属ロープ、又は例えば、アラミド繊
維のような誘電性材料で出来た強化材料）にて形成する
ことができる。

【００４５】本発明によれば、各相毎に、特に、例え
ば、図１に図示するように、幾つかの超伝導要素が存在
するようにし、その層（ａ、ｂ、ｃ）の各々が、それぞ
れ、図示した３つの超伝導要素３ａ、３ｂ、３ｃの各々
に対する符号１、２で示した２つの超伝導要素を備えて
おり、幾つかの導体（図示した例において２つの導体）
間で各相の電流が分割されるようにする。

【００４６】図２及び図３には、本発明の二つの異なる
実施の形態（その各々が単一相のケーブルに関するも
の）が概略図で図示されている。

【００４７】以下の説明及び図面に示すように、図１に
関して上述したものと構造的に又は機能的に同等のケー
ブルの構成要素は同一の参照符号で表示し、これ以上は
説明しない。

【００４８】図２の実施の形態において、構造的に独立
し且つ磁気的に非結合状態にある４つの超伝導要素
３^Ｉ、３^II、３^III、３^IVが管状の保持殻体９内に収容
されている。

【００４９】図３のケーブルにおいて、４つの要素３０
^Ｉ、３０^II、３０^III、３０^IVの相及び同軸状導体４
０、５０は、ニオブ・チタニウム合金で出来た超伝導材
料を備えており、該超伝導材料に対する超伝導状態は、
超伝導コア２を液体ヘリウムにより約４°Ｋまで冷却さ
せることで達成される。

【００５０】この更なる実施の形態において、低温保持
装置は、第一のテープ層１１に加えて、中空のスペース
１６（その内部を液体窒素が６５°乃至９０°Ｋで循環
する）と、第二のテープ層１７（その前と同様の構造を
有する）とを備えている。

【００５１】図４には、４つの要素の接続状態の一例が
概略図で図示されており、単一相の発電機は要素３^Ｉ、
３^II、３^III、３^IVのそれぞれの相及び中立の超伝導体
４、５に接続されている。一方、要素３^Ｉ、３^II、３
^IIIは第一の負荷Ｃ_１に接続され、要素３^IVは第二の負
荷Ｃ_２に独立的に接続される。上述のもを参照しつつ、
本発明による超伝導ケーブルの幾つかの実施の形態に関
して非限定的に以下に説明する。

【００５２】実施例１−３（本発明）本発明によれば、単相型式の高電力用の３本
の超伝導ケーブが設計されている（超伝導コア２内にそ
れぞれ導電要素３を３７個、１９個、及び７個、内蔵し
ている）。

【００５３】全てのケーデルは、１０ｍｍの厚さの誘電
層を使用して、２５０ｋＶの電圧（高電力）の直流にて
使用し得るように設計されている。

【００５４】全てのケーブルにおいて、使用される超伝
導材料は、ＢＳＣＣＯ−２２２３として公知の混合酸化
物である。

【００５５】この場合に使用される低温流体は、６５乃
至９０°Ｋの温度の液体窒素により形成され、ケーブル
は、全体の厚さが約１０ｍｍの低温保持装置１０を使用
して、図２に概略図で図示する構造を備えている。

【００５６】設計電流は、５０ｋＡである。

【００５７】ケーブの直流の設計特性は、次の通りであ
る。

【００５８】極低温流体の温度（約７７°Ｋ）における
臨界的な電流密度の劣化閾値における有効磁界＝２０ｍ
Ｔ極低温流体の温度（約７７°Ｋ）における磁界≦２０ｍ
Ｔの電流の５０％に相当する臨界的な電流密度に相当す
る有効磁界＝１００ｍＴ直流の損失に関しては、近似法により次のように推定さ
れる。

【００５９】導体における損失は、その他の損失と比較
して無視し得る程度である。

【００６０】誘導体における損失は、その他の損失と比
較して無視し得る程度である。

【００６１】低温保持装置からの放熱による損失（その
表面積に比例する）は、入力する熱の力と低温保持装置
の表面積との比により表現される。即ち、３．５Ｗ／ｍ
²となる。

【００６２】冷却装置の効率は、装置の出力Ｗｉと獲得
した熱力Ｗｅとの比により表現され、１０Ｗ／Ｗとな
る。

【００６３】このため、第一の近似法として、対象とす
るケーブル用として、出力Ｗｉが３５Ｗ／ｍ²の冷却装
置を設置することが必要である。

【００６４】次に、全てのケーブルに関して、次の有効
仮説に基づいて、超伝導体の平均的な利用率の評価を行
った。

【００６５】超伝導材料内で発生された磁界は、図５に
概略図的に図示するように、相同軸導体４（半径Ｒ１）
の各々の内面、及び中立の導体５（半径Ｒ４）の外面に
おける、０（零）の値から相導体４（半径Ｒ２）の各々
の外面、及び中立の導体５（半径Ｒ３）の内面における
最大値まで直線的に増大する。一方、相導体と中立導体
との間（半径Ｒ２と半径Ｒ３との間）の中空のスペース
において、磁界は、上述した等式（μ_oＩ／２πｒ）×
（Ｒ₂／ｒ）に従って変化する。ここで、ｒは、要素の
半径、Ｉは、導体４、５により伝達される電流である。

【００６６】相導体及び中立導体の各々に対して、超伝
導材料の利用率は、厚さを通じて、直線状に低下する傾
向がある。磁界が０である表面における１００％の閾値
から磁界の閾値に達する（この閾値は、磁界が最大であ
る表面における最大の有効磁界により生ずる劣化に対応
する値に等しい）（特に、０乃至２０ｍＴの間では、１
００％、１００ｍＴにて５０％とされる）。

【００６７】形成されるケーブルの構造上及び機能上の
特性は、以下の表Ｉに掲げてある。

【００６８】実施例４（比較）本発明のケーブルを従来技術のケーブルと比較
するため、コア２内に、単一の同軸状要素（液体窒素に
より冷却させた超伝導材料ＢＳＣＣＯ−２２２３を内蔵
するもの）を備えるケーブルを設計した。

【００６９】この設計の条件は、上記の実施例１乃至３
のものと同一であるが、超伝導材料の平均利用率の値を
１００％に保つことにより、更なる利用率の制限が課さ
れる。

【００７０】形成されるケーブルの構造上及び機能上の
特性は、以下の表Ｉに掲げてある。

【００７１】実施例５（比較）再度、本発明のケーブルを従来技術のケーブル
と比較するため、コア２内に、単一の同軸状要素（液体
窒素により冷却させた超伝導材料ＢＳＣＣＯ−２２２３
を内蔵するもの）を備えるケーブルを設計した。

【００７２】この設計の条件は、上記の実施例４のもの
と同一であるが、有効磁界を１００ｍＴに制限すること
により、更なる有効限界値を設定した。

【００７３】その結果、超伝導材料の平均利用率は、約
７０％であった。

【００７４】形成されるケーブルの構造上及び機能上の
特性は、以下の表Ｉに掲げてある。

【００７５】実施例５′ （比較）再度、本発明のケーブルを従来技術のケーブル
と比較するため、コア２内に、単一の同軸状要素（液体
窒素により冷却させた超伝導材料ＢＳＣＣＯ−２２２３
を内蔵するもの）を備えるケーブルを設計した。

【００７６】この設計の条件は、上記の実施例４のもの
と同一であるが、低温保持装置の直径を上記の実施例３
のものと等しい値（０．１９５ｍ）に固定することによ
り、更なる有効限界値を設定した。

【００７７】その結果、超伝導材料の平均利用率は、約
６０％であった。

【００７８】このため、本発明のケーブルと比較して、
同一径の場合、超伝導材料をより多量に使用しなければ
ならず、このため、同一のケーブルのコスト、及び製造
の技術上の困難性が著しく、増す。

【００７９】形成されるケーブルの構造体的及び機能上
の特性は、以下の表Ｉに掲げてある。

【００８０】実施例６−８（比較）本発明のケーブルを従来技術のケーブルと比較
するため、コア２内に、単一の同軸状要素（超伝導材料
ＢＳＣＣＯ−２２２３（実施例６）及びニオブ−チタニ
ウム合金（実施例７及び８））を内蔵するもの）を備え
る３本のケーブルを設計した。

【００８１】使用した極低温流体は、４′Ｋの液体ヘリ
ウムであるため、ケーブルは、全体の厚さが約７０ｍｍ
の低温保持装置１０を使用する、図３に概略図的に掲げ
た構造体を有している。

【００８２】これらの場合、設計データとして、単一の
導電性要素の最小径は、０．０２５ｍと想定する（機械
的応力を許容可能な値の範囲に保つ構造寸法にするた
め）。

【００８３】従って、直流の設計の特徴は、実施例６及
び８の場合、極低温流体の温度（４°Ｋ）のとき、有効
磁界は、８００ｍＴ（電流密度が臨界値の１００％及び
２５％に対応する値）であり、また、実施例７の場合、
極低温流体の温度（４°Ｋ）のとき、有効磁界は、２６
０ｍＴである。

【００８４】直流の損失に関して、近似法により次のよ
うに推定した。

【００８５】導体における損失は、その他のの損失と比
較して無視し得る程度である。

【００８６】誘導体の損失は、その他の損失と比較して
無視し得る程度である。

【００８７】低温保持装置からの放熱による損失（その
表面積に比例する）は、入力する熱力と低温保持装置の
表面との間の比により表現される。即ち、０．５Ｗ／ｍ
^２となる。

【００８８】冷却装置の効率は、装置の出力Ｗｉと獲得
した熱力Ｗｅとの間の比により表現され、３００Ｗ／Ｗ
となる。

【００８９】このため、第一の近似法として、対象とす
るケーブル用として、力Ｗｉが１８５Ｗの冷却装置を設
置することが必要である。

【００９０】次に、全てのケーブルに関して、上記の実
施例１乃至５に示した判断基準に基づいて、超伝導体の
平均利用率を検討した。

【００９１】形成されるケーブルの構造上及び基本的な
特性は、以下の表Ｉに掲げてある。

【００９２】実施例９乃至１１（本発明）本発明に従って、それぞれ、超伝導コア２内
に３７個、１９個、及び７個の導電要素を内蔵する、３
本の高出力の超伝導ケーブルを設計した。

【００９３】この設計データは、上記の実施例１乃至３
のものと同一であるが、この場合、使用する直流電流
は、１ｋＶ（低電圧）とした点が異なる。

【００９４】このため、厚さが１ｍｍの誘電材料層８を
使用した。

【００９５】全てのケーブルにおいて、使用した超伝導
材料は、ＢＳＣＣＯ−２２２３として公知である超伝導
材料とした。

【００９６】この場合、使用した低温流体は、温度が７
７°Ｋの液体ヘリウムであるため、ケーブルは、全体の
厚さが約１０ｍｍの低温保持装置１０を使用する、図１
に概略図的に掲げた構造体を有している。

【００９７】この場合、設計電流は、５０ｋＡに等し
い。

【００９８】形成されるケーブルの構造上及び機能上の
特性は、以下の表ＩＩに掲げてある。

【００９９】実施例１２（比較）本発明のケーブルを従来技術のケーブルと比較
するため、コア２内に、単一の同軸状要素（液体窒素に
より冷却させた超伝導材料ＢＳＣＣＯ−２２２３を内蔵
するもの）を備えるケーブルを設計した。

【０１００】この設計の条件は、上記の実施例９乃至１
１のものと同一であるが、超伝導体の平均利用率を１０
０％に保つことにより、有効限界値を更に制限してい
る。

【０１０１】形成されるケーブルの構造上及び基本的な
特性は、以下の表ＩＩに掲げてある。

【０１０２】実施例１３（比較）再度、本発明のケーブルを従来技術のケーブル
と比較するため、コア２内に、単一の同軸状要素（液体
窒素により冷却させた超伝導材料ＢＳＣＣＯ−２２２３
を内蔵するもの）を備えるケーブルを設計した。

【０１０３】この設計の条件は、上記の実施例９乃至１
１のものと同一であるが、有効磁界を１００ｍＴに一定
に保つことにより、有効限界値を更に制限している。そ
の結果、超伝導材料の平均利用率は、約７０％である。

【０１０４】形成されるケーブルの構造上及び機能上の
特性は、以下の表ＩＩに掲げてある。

【０１０５】実施例１３′ （比較）再度、本発明のケーブルを従来技術のケーブル
と比較するため、コア２内に、単一の同軸状要素（液体
窒素により冷却させた超伝導材料ＢＳＣＣＯ−２２２３
を内蔵するもの）を備えるケーブルを設計した。

【０１０６】この設計の条件は、上記の実施例９乃至１
１のものと同一であるが、低温保持装置の直径を上記の
実施例１１の値と同一の値（０．１４２ｍ）に保つこと
により、更なる有効限界値を設定した。

【０１０７】その結果、超伝導材料の平均利用率は、約
５０％の値まで低下した。

【０１０８】このため、本発明のケーブルと比較して、
同一径の超伝導材料をより多量に使用しなければなら
ず。このため、同一のケーブルのコスト、及び製造の技
術上の困難性が著しく、増す。

【０１０９】形成されるケーブルの構造上及び機能上の
特性は、以下の表ＩＩに掲げてある。

【０１１０】実施例１４乃至１６（比較）再度、本発明のケーブルを従来技術のケーブル
と比較するため、コア２内に、単一の同軸状要素（液体
窒素により冷却させた超伝導材料ＢＳＣＣＯ−２２２３
を内蔵するもの（実施例１４）及びニオブ−チタニウム
合金を内蔵するもの（実施例１５及び実施例１６））を
備えるケーブルを設計した。

【０１１１】使用した極低温流体は、４°Ｋの液体ヘリ
ウムであるため、ケーブルは、全体の厚さが約７０ｍｍ
の低温保持装置を使用する、図３に概略図的に掲げた構
造体を有している。

【０１１２】これらのケーブルの設計上の特徴、及び直
流の損失は、実施例６乃至９に記載したものと同一の方
法で求めた。

【０１１３】超伝導材料の平均利用率は、上記の実施例
１乃至５に掲げた判断基準に基づいて評価した。

【０１１４】形成されるケーブルの構造上及び機能上の
特性は、以下の表ＩＩに掲げてある。以下の表Ｉ及びＩ
Ｉにおいて、冷却コストは、実施例３及び１１のケーブ
ルを基準として表示し、これに対して、形成される超伝
導コア２の寸法及び冷却コストは最小値となり、超伝導
材料を好適ではなく使用して、損失する。その結果、よ
り多量の材料を使用しなければならず、また、電気の損
失も増大する。

【０１１５】表Ｉ乃至ＩＩに掲げたデータに関して、磁
界がｍＴである（実施例６及び１４）にて材料ＢＳＣＣ
Ｏ−２２２３の効率は、１００％である一方、ＮｂＴｉ
合金の効率は、２６０ｍＴ（実施例７及び１５）まで、
１００％であり、また、８００ｍＴ（実施例８及び１
６）のとき、２５％となることを認識すべきである。

【０１１６】上述し且つ図示したところによれば、本発
明は、大量の電流の伝達と高温の超伝導材料の好適な利
用とを組み合わせることを可能にするものであることが
直ちに明らかにあるであろう。

【０１１７】これは、全て、ケーブルの寸法及び冷却コ
ストを技術的な観点から完全に許容可能な値に保つこと
により達成される。

【０１１８】特定の用途の目的のため、高温超伝導体の
好適でない使用に伴う問題点及びコストのため、特定の
用途に合うように設定し得ない場合、本発明は、その全
てを実施例３及び１１に図示したように、最小のケーブ
ル寸法にし、これにより、構造、輸送、及び据え付けを
容易にし、公知の技術のヘリウム冷却によるケーブル
（製造コスト及び運転コストが遥かに高い）と完全に同
等のもととすることを可能にするものである。

【０１１９】特に、本発明によるケーブルは、伝達され
る電流が等しいならば、０．３ｍ以下の全体直径（低温
保持装置を含む）を有し、例えば、単一の同軸状の導電
要素を使用する、公知の技術のケーブル（リールに巻い
たもの）が１ｍ以上の長さであることを可能にする（超
伝導材料を１００％の効率で使用し、磁界が２０ｍＴ以
下であるならば）。

【０１２０】これと同一の方法にて、超伝導材料の７０
％の効率が許容されるならば、（磁界１００ｍＴ以内に
て）、本発明によるケーブルは、０．１４ｍの直径とな
るすることができる一方、従来技術のケーブルの直径
は、０．０２３ｍ以上であり、それに伴い、例えば、冷
却コストが、６０％、増大するといった欠点がある。

【０１２１】幾つかの超伝導要素に分割することは、同
一の導体の全表面積を増大させない、従って、使用する
絶縁体の容積を実際に、何ら、増大させることがないこ
とを認識すべきである。更に、本発明によれば、次のこ
とが有利に可能となる。

【０１２２】超伝導材料の利用率が同一の場合、ケーブ
ルの寸法を小さくし、その結果、ケーブルの製造、輸
送、及び取り付けを容易にする（実施例２を実施例４と
比較し、実施例３を実施例５と比較する）。

【０１２３】従来技術のケーブルと比較して、同一量の
超伝導材料に対して、同一材料の絶縁体を使用すること
ができる。

【０１２４】ケーブルの超伝導コアを取り巻く、絶縁層
（低温保持装置）の寸法を制限し、熱の損失を有利に軽
減すること（実施例１、２を実施例４と比較し、実施例
３を実施例５と比較する）。

【０１２５】異なる負荷を供給することができる磁気的
に非結合状態の導電性要素を備えている。

【０１２６】可撓性で高効率の超伝導母線となる。

【０１２７】各種の層及び中立導体に存在する超伝導材
料を最適な方法で使用し、従って、その量を軽減し、ケ
ーブルの径は同一であり、従って、冷却コストも同一で
ある。

【０１２８】公知の技術に従い、直径０．１４ｍの高電
力ケーブル（２５０ｋＶ）（即ち、同軸型式の単一の要
素を備えるもの）を製造しようとする場合、磁界は、１
７５ｍＴとなる（この場合、超伝導材料の利用率は、本
発明による得られる７０％と比べて、５０％に相当とな
る。実施例３乃至５′の内容を参照のこと）。

【０１２９】これと同一の方法にて、従来技術による低
電圧（１ｋＶ）、直径０．２ｍケーブル（即ち、同軸型
式の単一の要素を備えるもの）を製造しようとする場
合、磁界は、１３０ｍＴに達する（この場合、超伝導材
料の利用率は、本発明により得られる７０％と比べて６
０％となる。実施例１１及び実施例１３′の内容を参照
のこと。

【０１３０】単一相のケーブルに関して上述したこと
は、３相型式のケーブル、より一般的には、図１に図示
した型式の多相のケーブルにも、当てはまり、この場
合、各相の導電性要素を幾つかの要素（その各々がその
相の全体の電流の一部を運ぶもの）に分割することによ
り、顕著な利点が得られる。

【０１３１】例えば、各相に対して、単一の導電性要素
があるように製造した、２０ｋＶにて、１７００ＭＶＡ
を供給する３相ケーブルは、低温保持装置が０．５２ｍ
の直径を有することを必要とする。本発明に従って、各
相の導電性要素を７つの相（その各相がその相の全体の
電流の一部を運ぶもの）に分割することにより、そのケ
ーブルは、同一の超伝導材料を使用して、低温保持装置
にて、０．４３ｍの直径を有することになる。

【０１３２】これと同一の方法にて、各相に対して、単
一の導電要素で製造された、４００Ｖにて３５ＭＶＡを
供給する３相のケーブルは、低温保持装置にて、０．４
８ｍの直径を必要とする。本発明によれば、各相を７つ
の相導体に分割することにより、そのケーブルは、同一
の超伝導材料を使用して、低温保持装置にて、０．３２
ｍの直径となる。

【０１３３】本発明の方法に関して、全部の電流を磁気
的に独立した多数の導体に分割することにより、所定の
値よりも大きい値（一般に、少なくとも５，０００Ａに
等しい）の電流の量を運ぶことが可能であるという上述
の利点が得られることが観察された。このため、その各
々にて運ぶことのできる電流部分は、使用される超伝導
材料の導電率を制限する磁界を発生させることができる
閾値よりも小さくなる。

【０１３４】当然に、当業者は、特定の且つ具体的な必
要を満足させるために、上述の発明の各種の変更、及び
応用例が案出可能であり、これらの変更及び応用例は、
以下の請求の範囲に記載した本発明の保護の範囲に属す
るものであることが理解されよう。

【０１３５】表I 実施例 1 2 3 4 5 5bis 6 7 8 材料ＢＳＣＣＯＮｂＴｉ相当たりの 37 19 7 1 1 1 1 1 1 要素の数導体に対する 1350 2630 7140 50000 50000 50000 50000 50000 50000 臨界的電流［Ａ］有効温度 77 77 77 77 77 77 4 4 4 ［°Ｋ］有効磁界 20 20 100 20 100 130 800 260 800 ［ｍＴ］ＳＣ材料の 100 100 70 100 70 60 100 100 90 平均利用率［％］（約） φ単一相導体 0.027 0.053 0.0285 1 0.2 0.15 0.025 0.077 0.025 ［ｍ］ φ単一要素 0.057 0.083 0.0585 1.03 0.23 0.18 0.055 0.107 0.055 ［ｍ］ φ低温保持 0.419 0.435 0.195 1.05 0.25 0.195 0.195 0.247 0.195 装置［ｍ］冷却コスト 2.1 2.2 1 5.4 1.3 1 5.3 6.7 5.3 表II 実施例 9 10 11 12 13 13bis 14 15 16 材料ＢＳＣＣＯＮｂＴｉ相当たりの 37 19 7 1 1 1 1 1 1 要素の数導体に対する 1350 2630 7140 50000 50000 50000 50000 50000 50000 臨界的電流［Ａ］有効温度 77 77 77 77 77 77 4 4 4 ［°Ｋ］有効磁界 20 20 100 20 100 175 800 260 800 ［ｍＴ］ＳＣ材料の 100 100 70 100 70 50 100 100 90 平均利用率［％］（約） φ単一相導体 0.027 0.053 0.0285 1 0.2 0.11 0.025 0.077 0.025 ［ｍ］ φ単一要素 0.039 0.065 0.0405 1.012 0.212 0.122 0.037 0.089 0.037 ［ｍ］ φ低温保持 0.293 0.343 0.142 1.032 0.232 0.142 0.177 0.229 0.177 装置［ｍ］冷却コスト 2.1 2.4 1 7.3 1.6 1 6.6 8.6 6.6

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一つの実施の形態による、３相超伝導
ケーブルの一部断面図とした概略図的な斜視図である。

【図２】本発明の更に別の実施の形態による単一相の超
伝導ケーブルの一部断面図とした概略図的な斜視図であ
る。

【図３】低温超伝導体を使用する。本発明のケーブルの
更に別の実施の形態を示す図である。

【図４】２つの独立的な負荷が加わった本発明による単
一相のケーブルの電気的な接続部である。

【図５】同軸状導体内の磁界の値を示す、定性的なグラ
フである。

【符号の説明】

１超伝導ケーブル２超伝導コア３ａ、３ｂ、３ｃ伝導要素４、５中立導体６、７支持要素８層９保持殻体１０低温保持装置１１絶縁層保持装置１２中空スペース１３スペーサ１４管状要素１５外側シース１６中空スペース４０、５０同軸状導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの相を有する高電力用の
超伝導ケーブルであって、相導体（４）と、該相導体の外側にあり且つ該相導体と
同軸状である中立導体（５）とを備える超伝導コア
（２）であって、該導体の各々が、超伝導材料の少なく
とも１つの層を有し、前記同軸状の導体（４、５）がそ
の間に誘電性材料（８）を介在させることにより、互い
に電気的に絶縁された前記超伝導コア（４）と、前記コア（２）を前記超伝導材料の臨界温度以下の温度
に冷却する手段とを備える高電力用の超伝導ケーブルに
して、各相に対して、磁気的に、非結合状態にある複数の導電
性要素（３）を備え、該導電性要素（３）の各々が、一対の同軸状の相導体
（４）及び中立導体（５）を備えることを特徴とする高
電力用の超伝導ケーブル。
【請求項２】請求項１に記載の超伝導ケーブルにし
て、前記同軸状の相導体（４）及び中立導体（５）の各々
が、それぞれの管状の円筒状支持体（６、７）に巻かれ
た超伝導材料の複数のテープを備えることを特徴とする
超伝導ケーブル。
【請求項３】請求項１に記載の超伝導ケーブルにし
て、前記超伝導材料の前記テープが、１０゜乃至６０°の巻
き付け角度にて前記支持体（６、７）に巻かれることを
特徴とする超伝導ケーブル。
【請求項４】請求項２に記載の超伝導ケーブルにし
て、前記同軸状の相導体（４）及び中立導体（５）の各々
が、前記管状の円筒状支持体（６、７）上に配置され
た、複数の超伝導材料層を備えることを特徴とする超伝
導ケーブル。
【請求項５】請求項１に記載の超伝導ケーブルにし
て、前記要素（３）の各々の相導体（４）の直径が２５乃至
４０ｍｍの範囲にあることを特徴とする超伝導ケーブ
ル。
【請求項６】請求項１に記載の超伝導ケーブルにし
て、前記コア（２）が６５°乃至９０°Ｋの温度にて冷却さ
れることを特徴とする超伝導ケーブル。
【請求項７】請求項１に記載の超伝導ケーブルにし
て、前記コア（２）が液体ヘリウムにより約４°Ｋの温度に
冷却されることを特徴とする超伝導ケーブル。
【請求項８】請求項１乃至７の何れかの項に記載の超
伝導ケーブルにして、前記超伝導材料が次式を有することを特徴とする超伝導
ケーブル。Ｂｉ_αＰＢ_βＳｒ_γＣａ_δＣｕ_εＯ_ｘ（I）ここで、αは、１．４乃至２．０の数値、βは、０乃至
０．６の数値、γは、０乃至２．５の数値、δは０乃至
２．５の数値、εは、１．０乃至４．０の数値、ｘは、
存在する異なる酸化物に対応する化学量論値である。
【請求項９】少なくとも１つの相を有する超伝導ケー
ブル（１）内で所定の値よりも多い電流の量を伝達する
方法にして、前記電流が、各相に対して、同軸型式の磁気的に非結合
状態の複数の導電性要素（３）間で分割され、該導電性要素の各々にて運ばれる電流部分が、使用され
る超伝導材料の導電率を低下させる磁界に対応する表面
的な電流密度を設定する値よりも小さいように、前記導
電性要素（３）の数が設定されるようにしたことを特徴
とする方法。
【請求項１０】請求項９に記載の方法にして、前記電流が多相の交流電流であり、各相に対して、前記
電流が、前記導電性要素（３）間で分割されることを特
徴とする方法。
【請求項１１】請求項９に記載の方法にして、前記電流量の前記所定の値が少なくとも５，０００Ａに
等しいことを特徴とする方法。
【請求項１２】請求項９に記載の方法にして、超伝導材料の導電率を低下させる前記磁界が２００ｍＴ
以下であることを特徴とする方法。
【請求項１３】請求項１２に記載の方法にして、超伝導材料の導電率を低下させる前記磁界が２０ｍＴ以
下であることを特徴とする方法。