JP4135513B2 - 超電導ケーブル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導ケーブルに関するものである。特に、ケーブルコアの中心部が中実タイプのものに好適な超電導ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に超電導ケーブルは、断熱管の内側に単心ケーブルコア或いは大容量を確保するために複数本撚り合わせたケーブルコアを収納して形成される（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
ケーブルコアは、中心側から順にフォーマ、超電導導体、絶縁層、シールド層を具えている。断熱管は、内管・外管の２重の金属管からなり、内管の内側に上記ケーブルコアを収納している。
【０００４】
一般にフォーマはパイプから形成され、フォーマ内ならびに断熱管とケーブルコアとの間に形成される空間が冷媒流路となる。また、超電導導体は超電導線材を多層に撚り合わせて構成され、各層のインピーダンスを均一にして電流が均一に流れるように、スパイラルピッチおよび巻回方向を調整する。シールド層も超電導線材を用いて超電導導体と同様の構成が利用される。
【０００５】
このような超電導ケーブルにおいて、フォーマの内側の空間、内管とケーブルコアとの空間に、各々冷媒を流入させて、ケーブルコアの冷却を行っている。この冷媒には、通常液体窒素が用いられる。
【０００６】
また、冷媒は、長尺な超電導ケーブルを常時極低温に保持するために冷凍機や熱変換機などの冷却システムを用いて冷却するようになっている。即ち、冷凍機で冷却された冷媒をフォーマ内に流入させた後、内管とケーブルコアとの間隙に送り、冷媒を冷凍機などに回収して再度冷却させるという冷媒循環システムを構成している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平9-134624号公報
【特許文献２】
特開2001-202837号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記した超電導ケーブルではフォーマにパイプを使用しており、フォーマ内を冷媒の往路、コアの外側を復路とすることで、冷媒流路の閉ループを形成することが可能となる。
【０００９】
しかしながら、フォーマとして金属パイプを使用した場合、パイプは曲げ剛性が大きくケーブルとしての機械特性（曲げ特性、側圧他）が問題となる。曲げ特性等を上げるため、フォーマにコルゲートパイプを使用することが考えられるが、フォーマ上に超電導線を巻回するため、コルゲート管の外側を平滑にする構造を付加する必要があり構造が複雑となる。また、フォーマ内の冷媒往路、コアの外側の冷媒復路を連続させるための構造も複雑となる。
【００１０】
そこで、機械特性を向上させるため、フォーマをパイプではなく、例えば、金属線の撚線などからなる中実タイプにしたものが提案されている。さらに、撚線のフォーマは短絡電流が流れた際の温度上昇を抑制する効果も期待されている。
【００１１】
このような中実タイプのフォーマを使用する場合は、フォーマ内に冷媒流路を形成できない。そのため、断熱管の一端側に内管とケーブルコアとの間の空間に冷媒を供給する冷媒流入管を接続し、断熱管の他端側に内管から冷媒を取り出す冷媒取出管を接続することが考えられる。この場合、冷媒取出管を冷凍機を介して冷媒流入管と接続することにより冷媒循環システムを構成することになる。
【００１２】
このような冷媒循環システムを構成する場合、冷媒取出管または、冷媒流入管を流れる冷媒が断熱管外部の外気により熱交換されて熱損失を受けるため、冷凍機における冷凍能力を大きくしなければならない問題が生ずる。特に冷凍機を断熱管の冷媒流入部の近くに設ける場合には、冷媒取出管は、断熱管の他端側から一端側まで配管する必要があることから、配管長さが長くなり、熱損失もそれだけ大きくなるし、広い配管スペースも必要となる。
【００１３】
本発明は、冷媒の熱損失をできるだけ少なくでき、かつ、冷媒配管の設置スペースを大きくとることなく、コンパクト化が図れる超電導ケーブルを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の超電導ケーブルは上記目的を達成するため、超電導導体を有するケーブルコアと、ケーブルコアが収納され、管内部に冷媒流路の往路が形成される断熱管と、断熱管内にケーブルコアと併設されて収納され、冷媒流路の復路が形成される冷媒回収管とを具えることを特徴とする。
【００１５】
ケーブルコアは、単心コアでもよいし、３心コアの撚り合わせ構造としてもよい。
冷媒回収管は、ケーブルコアの長手方向と同方向に延びるように、断熱管内に配設される。冷媒回収管の断熱管内での配設状態は、冷媒回収管の内径、本数、冷媒流量との関係で決定する。
【００１６】
例えば、単心コアの場合には、断熱管内に１本の冷媒回収管を単心コアと併設するようにしてもよい。また、３心コアの撚り合わせの場合には、複数本の冷媒回収管、例えば３本をコアと併設させるようにしてもよい。３心コアの撚り合わせの場合、経済性を考慮すると図１のように断面状態で1本配設することが好ましい。
【００１７】
そして、断熱管とケーブルコア・冷媒回収管との間に形成される空間、即ち、断熱管内におけるケーブルコアと冷媒回収管の周りに冷媒を流入させて、冷媒でケーブルコアおよび冷媒回収管を冷却する。さらに、ケーブルコアなどを冷却した後の冷媒を冷媒回収管内に回収する。即ち、本発明では、断熱管とケーブルコア・冷媒回収管との間の空間が冷媒流路の往路となり、冷媒回収管内が冷媒流路の復路となる。
【００１８】
さらに、冷媒回収管に回収された冷媒を、超電導ケーブルの外部に設ける冷凍機または熱交換器において再度冷却させた後、断熱管の内部に送るようにして冷媒循環システムを構成することができる。
【００１９】
本発明では、冷媒回収管に流入した冷媒を、断熱管の外部にでるまでは、断熱管内の冷媒で冷却することができることから、冷媒回収管内を流れる冷媒の熱損失を軽減することができる。
【００２０】
冷媒回収管は、長手方向に同一径を有する金属パイプで形成してもよいし、金属コルゲートパイプで形成してもよい。冷媒回収管を金属コルゲートパイプで形成する場合には、冷媒回収管を曲げるための力が軽くなり、ケーブルコアへの機械的損傷を防ぐことができる。さらに、超電導ケーブルとしても、曲げ剛性の増加を小さくすることができるので、ケーブルとしての機械特性（曲げ特性、側圧等）を損なうことも無くなる。
【００２１】
本発明の超電導ケーブルは、断熱管の一端側に断熱管内の冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒供給部を設け、冷媒回収管の一端側を冷媒供給部近くから断熱管外部に開口させ、断熱管の他端側で冷媒回収管の他端を断熱管内に連通させるようにすることが好ましい。
【００２２】
冷媒回収管を、冷媒供給部の近くにおいて断熱管の外部に開口させているので、冷媒が断熱管を出て、冷凍機に戻るまでの配管距離をできるだけ短くすることができる。その結果、断熱管の外部での冷媒の熱損失をできるだけ少なくすることができるし、断熱管の回りに配管スペースを大きくとる必要も無くなる。
【００２３】
冷媒流路の往路と復路との境界をケーブル本体内となる断熱管内で処理できることから、冷媒配管を断熱管の外部に出す量を少なくできるので、冷媒回収時の熱損失の低減が図れる。
【００２４】
また、本発明の超電導ケーブルは、断熱管の一端側に冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒供給部を設けるとともに、断熱管の他端側に断熱管内の冷媒を取り出す冷媒取出部を設けるようにしてもよい。このとき、冷媒回収管の一端側を冷媒供給部近くから断熱管外部に開口させるとともに、冷媒回収管の他端を断熱管の他端側から外部に開口させ、冷媒取出部と冷媒回収管の他端を連通させる。
【００２５】
この場合、冷媒取出部および冷媒回収管の他端開口に配管を接続するようにすれば、配管を介して冷媒取出部との冷媒回収管とをそのまま連通させることができるだけでなく、配管を介して併設される同様の超電導ケーブルとの接続または切り替えが可能となる。
【００２６】
断熱管の他端側に断熱管内の冷媒を取り出す冷媒取出部を設け、冷媒回収管の他端を断熱管の他端側から外部に開口させる場合、冷媒取出部の管内部に冷媒回収管を収納させた状態にするようにしてもよい。このようにすることにより、冷媒回収管内を流れる冷媒の熱損失を低減できる。
【００２７】
本発明の超電導ケーブルは、交流超電導ケーブルとしても、直流超電導ケーブルとしても使用できる。そして、本発明の超電導ケーブルを用いて、交流超電導ケーブル線路を形成したり、直流超電導ケーブル線路を形成することができる。
【００２８】
なお、本発明に用いるケーブルコアは、例えば中心から順に、フォーマ、超電導導体、絶縁層を具えている。
フォーマは、金属線を撚り合わせた中実のものや、金属パイプを用いた中空のものが利用できるが、本発明は、中実のものに対して好適である。
【００２９】
中実タイプのフォーマを使用する場合、フォーマは、ケーブルの機械的特性を考慮し、例えば銅素線などの金属線を撚り合わせたものを使用することができる。金属線を用いる場合、金属線に絶縁被覆を施して渦電流損失を低減させるようにすることが好ましい。
【００３０】
超電導導体は、テープ状超電導線材をフォーマの上にらせん状に巻回したものが好適である。テープ状超電導線材は、ビスマス系超電導体などの酸化物高温超電導体を銀シースで被覆した材料が挙げられる。このようなテープ状超電導線材は、全積層数を偶数層とし、各層ごとに巻き付け方向を逆にして巻き付けることが好ましい。その際、巻き付け方向の異なるペア毎あるいは各層毎のテープ線材の巻き付けピッチを同じとする。この導体構造により、外部に漏洩する軸方向の磁界を打ち消すことができる。
【００３１】
絶縁層は、公知の種々の絶縁材料を用いて形成すればよい。例えばポリプロピレンなどを用いた絶縁紙に液体窒素を浸漬させた構造が挙げられる。
本発明ケーブルでは、各ケーブルコアに磁気シールドのためのシールド層を設けても良い。本発明のケーブルを交流超電導ケーブルとして用いる場合には、シールド層を設けることにより、超電導導体の外周に漏れる磁束を遮蔽して超電導線の交流損失を減らすことができる。
【００３２】
また、ケーブルコアを３心撚り合わせ構造とする場合には、例えば、撚り合わせたケーブルコアをスネーク状に配置したり、各コアの撚り合わせに弛みを持たせたり、各コアの間にスペーサを配置することにより、熱収縮分を吸収させることができる。
断熱管は、例えばSUS製コルゲートの内管、外管の二重管構造とすることが好ましく、これらの管の間を真空状態に保つ構造とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明超電導ケーブルの断面図である。
【００３４】
[全体構造]
このケーブルは断熱管1の内部に３心のケーブルコア2を撚り合わせて収納したものである。さらに、断熱管1の内部には、冷媒回収管3が収納されている。
【００３５】
[断熱管]
断熱管1は内管11および外管12を具える２重管からなり、内外管11，12の間に真空断熱層13が構成される。真空断熱層13内には、プラスチック製網状体と金属箔を積層したいわゆるスーパーインシュレーションが配置されている。
【００３６】
内管11の内側とケーブルコア2および冷媒回収管3との間に形成される空間は液体窒素などの冷媒流路の往路となる。そして、冷媒回収管3が冷媒流路の復路となる。また、必要に応じて、断熱管1の外周にポリ塩化ビニルなどで防食層14を形成しても良い。
【００３７】
＜冷媒流路＞
断熱管1には、図２に示すように、断熱管1とケーブルコア2・冷媒回収管3との間に形成される空間に冷媒を供給する冷媒供給部15を設けている。本実施形態では、断熱管1の一端部に冷媒供給部15を設けている。冷媒供給部15から断熱管1の内管11内部に冷媒が供給されて内管11内に冷媒流路の往路が形成される。
【００３８】
冷媒回収管3は、図１および図２に示すように、ケーブルコア2とは別個に併設され、ケーブルコア2の長手方向に沿って断熱管1の内管11内に収納されている。冷媒回収管3は、金属コルゲートパイプで形成されている。
【００３９】
冷媒回収管3は、一端側を冷媒供給部15近くにおいて断熱管1の外部に開口させている。そして、図２に示すように、冷媒回収管3の他端側を冷媒供給部15から離れた位置である断熱管1の他端側で断熱管1の内管11内に開口させている。図２に示す実施形態では、冷媒回収管3の他端側開口から、ケーブルコア2を冷却した後の冷媒を回収するようにしている。
【００４０】
本発明の超電導ケーブルでは、断熱管1とケーブルコア2・冷媒回収管3との間の空間が冷媒流路の往路となり、冷媒回収管3内が冷媒流路の復路となる。断熱管1の冷媒供給部15から内管11とケーブルコア2・冷媒回収管3との間に形成される空間に冷媒を流入させて、冷媒でケーブルコア2および冷媒回収管3を冷却する。そして、ケーブルコア2および冷媒回収管3を冷却した後の冷媒は、冷媒回収管3内に流入させて回収する。
【００４１】
図２に示す実施形態では、冷媒流路の往路と復路との境界を断熱管1内で処理できることから、冷媒配管を断熱管1の外部に引き出すことなく、冷媒流路の復路を形成できる。その結果、冷媒配管を断熱管の外部に出す量を少なくできるので、冷媒回収時の熱損失の低減が図れる。
【００４２】
さらに、冷媒回収管3を金属コルゲートパイプで形成しているので、冷媒回収管3を曲げるための力が軽くなり、ケーブルコア2への機械的損傷を防ぐことができる。
【００４３】
図２においては、冷媒回収管3の他端側を断熱管1内に開口させたが、超電導ケーブルを図３に示すように構成してもよい。図３の超電導ケーブルは、断熱管1の一端部に冷媒供給部15を設けるとともに、断熱管1の他端側に断熱管1内の冷媒を取り出す冷媒取出部16を設け、冷媒回収管3の他端を断熱管1の他端側から外部に開口させるようにしている。
【００４４】
この場合、冷媒取出部16および冷媒回収管3の他端開口に冷媒配管50を接続するようにすれば、冷媒配管50を介して冷媒取出部16と冷媒回収管3とを連通させることができるだけでなく、冷媒配管50を介して同様の超電導ケーブルに接続または切り替えが行える。
【００４５】
さらに、図２示す実施形態では、超電導ケーブルの断熱管1内に冷媒を供給し、冷媒回収管3から冷媒を回収して、回収された冷媒を冷却する冷媒循環システム4を構成している。
【００４６】
＜冷媒循環システム＞
この冷媒循環システム4は、断熱管1内に形成される冷媒往路、冷媒回収管3、第１冷媒配管51、第２冷媒配管52、冷凍機53、リザーバー54、ポンプ55により構成されている。
【００４７】
第１冷媒配管51の一端側は断熱管1の冷媒供給部15に接続される。第２冷媒配管52の一端側は冷媒回収管3に接続される。第１冷媒配管51の他端側は冷凍機53に接続される。第２冷媒配管52の他端側はリザーバー54に接続される。リザーバー54内にはポンプ55が設けられており、このポンプ55によりリザーバー54内の冷媒を冷凍機53に送るようになっている。
【００４８】
そして、ポンプ55の動作により、冷凍機53で冷却された冷媒が第１冷媒配管51を通って、冷媒供給部15から断熱管1内に送られ、冷媒回収管3から第２冷媒配管52を通って、リザーバー54に戻され、戻された冷媒を再度冷凍機53で冷却するようになっている。
【００４９】
図２に示す実施形態では、冷媒回収管3に流入した冷媒は、断熱管1の外部にでるまでは、断熱管1内の冷媒で冷却されることから、断熱管1を出るまでに冷媒回収管3内の冷媒を冷却することができる。
【００５０】
さらに、冷媒回収管3は、冷媒供給部15の近くにおいて断熱管1の外部に開口させているので、冷媒回収管3の開口部からリザーバー54までに至る第２冷媒配管52の距離をできるだけ短くすることができる。その結果、冷媒循環システム4において、断熱管1の外部での冷媒の熱損失をできるだけ少なくすることができるし、断熱管1外部での配管スペースも大きくとる必要が無くなる。
【００５１】
[ケーブルコア]
この断熱管1内に収納されるケーブルコア2の各々は、図１に示すように、中心から順に、フォーマ21、超電導導体22、絶縁層23、シールド層24を具える。
【００５２】
＜フォーマ＞
フォーマ21には、金属線を撚り合わせた中実のものや、金属パイプを用いた中空のものが利用できる。中空のフォーマを用いた場合、その内部も冷媒の流路にすることができるが、ケーブルの機械的特性を考慮すると中実のフォーマとすることが好ましい。中実のフォーマの一例としては、複数の銅素線を撚り合わせたものが挙げられる。銅素線には渦電流損失を低減させるために絶縁被覆を施すことが好ましい。
【００５３】
＜超電導導体＞
超電導導体22には、ビスマス系超電導体などの酸化物高温超電導体を銀シースで被覆したテープ線材が好適である。このテープ線材をフォーマ21の上に多層に巻回して導体を構成する。超電導線材の巻き付けは、偶数層からなる多層構造とし、各層交互にテープ状線材の巻き付け方向を逆にすることが好ましい。この多層構造により、外部への磁束の漏れを小さくすることができる。また、超電導線材の各層のインピーダンスを均一にして電流が均一に流れるように、スパイラルピッチおよび巻回方向を調整することが好ましい。
【００５４】
＜絶縁層＞
このような超電導導体22の外周には絶縁層23が形成される。この絶縁層23はクラフト紙や、ポリプロピレンなどで形成した絶縁紙（例えば住友電気工業株式会社製PPLP：登録商標）を用い、超電導導体22の外周に巻回して構成することができる。
【００５５】
＜シールド層＞
交流用の超電導ケーブルの場合は、絶縁層23の外側に磁気シールドのためのシールド層24を設ける。シールド層24は、絶縁層23の外側に超電導線材を巻回して形成される。このシールド層24に超電導導体22とほぼ同じ大きさで逆方向の電流が誘導されることで外部への磁界の発生をキャンセルすることができる。
【００５６】
〔コアの撚り合わせ構造〕
本発明では、３心コアの撚り合わせ構造としており、撚り合わせたケーブルコア2は、例えば、断熱管1内にスネーク状に配置したり、各ケーブルコア2の撚り合わせに弛みを持たせたり、各ケーブルコア2の間にスペーサを配置することにより、熱収縮分を吸収させることができる。
【００５７】
撚り合わせたケーブルコア2をスネーク状に配置する構成としては、特開平1-309212号公報に示す技術を応用することができる。例えば、断熱管の内部に突部を形成し、この断熱管内に撚り合わせたコアを挿入してスネーク状に収納することが挙げられる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷媒回収管に流入した冷媒は、断熱管の外部にでるまでは、冷媒回収管内を流れる冷媒を冷却することができ、回収されている冷媒の熱損失を軽減できる。
さらに、冷媒回収管を金属コルゲートパイプで形成する場合には、冷媒回収管を曲げるための力が軽くなり、ケーブルコアへの機械的損傷を防ぐことができる。しかも、超電導ケーブルとしても、曲げ剛性の増加を小さくすることができるので、ケーブルとしての機械特性（曲げ特性、側圧等）を損なうことも無くなる。
【００５９】
また、冷媒回収管の他端側を冷媒供給部から離れた位置である断熱管の他端側で断熱管内に開口させる場合には、冷媒流路の往路と復路との境界を断熱管内で処理できる。従って、冷媒配管を断熱管の外部に引き出すことなく、冷媒流路の復路を形成できるので、冷媒配管を断熱管の外部に出す量を少なくでき、冷媒回収時の熱損失の低減が図れる。
【００６０】
さらに、冷媒回収管は、冷媒供給部の近くにおいて断熱管の外部に開口させる場合には、冷媒の断熱管内へ流入させる箇所と流出される箇所とを近くすることができる。そのため、冷媒が断熱管を出て冷却システムとなる冷凍機等に戻るまでの配管距離をできるだけ短くすることができる。従って、断熱管の外部での冷媒の熱損失をできるだけ少なくすることができるし、断熱管外部での配管スペースも大きくとる必要が無くなる。
【００６１】
また、超電導ケーブルは、断熱管の一端部に冷媒供給部を設け、断熱管の他端側に冷媒取出部を設け、冷媒回収管の他端を断熱管の他端側から外部に開口させて、冷媒取出部と冷媒回収管の他端とを連通させる場合には、冷媒取出部および冷媒回収管の他端開口に接続する冷媒配管を介して他のシステムに接続または切り替えが行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明超電導ケーブルの断面図である。
【図２】本発明超電導ケーブルの実施形態にかかる冷媒循環システムを示す説明図である。
【図３】本発明超電導ケーブルの他の実施形態にかかる冷媒循環システムを示す説明図である。
【符号の説明】
1 断熱管
11 内管
12 外管
13 真空断熱層
14 防食層
15 冷媒供給部
16 冷媒取出部
2 ケーブルコア
21 フォーマ
22 超電導導体
23 絶縁層
24 シールド層
3 冷媒回収管
4 冷媒循環システム
50 冷媒配管
51 第１冷媒配管
52 第２冷媒配管
53 冷凍機
54 リザーバー
55 ポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導ケーブルに関するものである。特に、ケーブルコアの中心部が中実タイプのものに好適な超電導ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に超電導ケーブルは、断熱管の内側に単心ケーブルコア或いは大容量を確保するために複数本撚り合わせたケーブルコアを収納して形成される（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
ケーブルコアは、中心側から順にフォーマ、超電導導体、絶縁層、シールド層を具えている。断熱管は、内管・外管の２重の金属管からなり、内管の内側に上記ケーブルコアを収納している。
【０００４】
一般にフォーマはパイプから形成され、フォーマ内ならびに断熱管とケーブルコアとの間に形成される空間が冷媒流路となる。また、超電導導体は超電導線材を多層に撚り合わせて構成され、各層のインピーダンスを均一にして電流が均一に流れるように、スパイラルピッチおよび巻回方向を調整する。シールド層も超電導線材を用いて超電導導体と同様の構成が利用される。
【０００５】
このような超電導ケーブルにおいて、フォーマの内側の空間、内管とケーブルコアとの空間に、各々冷媒を流入させて、ケーブルコアの冷却を行っている。この冷媒には、通常液体窒素が用いられる。
【０００６】
また、冷媒は、長尺な超電導ケーブルを常時極低温に保持するために冷凍機や熱変換機などの冷却システムを用いて冷却するようになっている。即ち、冷凍機で冷却された冷媒をフォーマ内に流入させた後、内管とケーブルコアとの間隙に送り、冷媒を冷凍機などに回収して再度冷却させるという冷媒循環システムを構成している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平9-134624号公報
【特許文献２】
特開2001-202837号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記した超電導ケーブルではフォーマにパイプを使用しており、フォーマ内を冷媒の往路、コアの外側を復路とすることで、冷媒流路の閉ループを形成することが可能となる。
【０００９】
しかしながら、フォーマとして金属パイプを使用した場合、パイプは曲げ剛性が大きくケーブルとしての機械特性（曲げ特性、側圧他）が問題となる。曲げ特性等を上げるため、フォーマにコルゲートパイプを使用することが考えられるが、フォーマ上に超電導線を巻回するため、コルゲート管の外側を平滑にする構造を付加する必要があり構造が複雑となる。また、フォーマ内の冷媒往路、コアの外側の冷媒復路を連続させるための構造も複雑となる。
【００１０】
そこで、機械特性を向上させるため、フォーマをパイプではなく、例えば、金属線の撚線などからなる中実タイプにしたものが提案されている。さらに、撚線のフォーマは短絡電流が流れた際の温度上昇を抑制する効果も期待されている。
【００１１】
このような中実タイプのフォーマを使用する場合は、フォーマ内に冷媒流路を形成できない。そのため、断熱管の一端側に内管とケーブルコアとの間の空間に冷媒を供給する冷媒流入管を接続し、断熱管の他端側に内管から冷媒を取り出す冷媒取出管を接続することが考えられる。この場合、冷媒取出管を冷凍機を介して冷媒流入管と接続することにより冷媒循環システムを構成することになる。
【００１２】
このような冷媒循環システムを構成する場合、冷媒取出管または、冷媒流入管を流れる冷媒が断熱管外部の外気により熱交換されて熱損失を受けるため、冷凍機における冷凍能力を大きくしなければならない問題が生ずる。特に冷凍機を断熱管の冷媒流入部の近くに設ける場合には、冷媒取出管は、断熱管の他端側から一端側まで配管する必要があることから、配管長さが長くなり、熱損失もそれだけ大きくなるし、広い配管スペースも必要となる。
【００１３】
本発明は、冷媒の熱損失をできるだけ少なくでき、かつ、冷媒配管の設置スペースを大きくとることなく、コンパクト化が図れる超電導ケーブルを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の超電導ケーブルは上記目的を達成するため、超電導導体を有するケーブルコアと、ケーブルコアが収納され、管内部に冷媒流路の往路が形成される断熱管と、断熱管内にケーブルコアと併設されて収納され、冷媒流路の復路が形成される冷媒回収管とを具えることを特徴とする。
【００１５】
ケーブルコアは、単心コアでもよいし、３心コアの撚り合わせ構造としてもよい。
冷媒回収管は、ケーブルコアの長手方向と同方向に延びるように、断熱管内に配設される。冷媒回収管の断熱管内での配設状態は、冷媒回収管の内径、本数、冷媒流量との関係で決定する。
【００１６】
例えば、単心コアの場合には、断熱管内に１本の冷媒回収管を単心コアと併設するようにしてもよい。また、３心コアの撚り合わせの場合には、複数本の冷媒回収管、例えば３本をコアと併設させるようにしてもよい。３心コアの撚り合わせの場合、経済性を考慮すると図１のように断面状態で1本配設することが好ましい。
【００１７】
そして、断熱管とケーブルコア・冷媒回収管との間に形成される空間、即ち、断熱管内におけるケーブルコアと冷媒回収管の周りに冷媒を流入させて、冷媒でケーブルコアおよび冷媒回収管を冷却する。さらに、ケーブルコアなどを冷却した後の冷媒を冷媒回収管内に回収する。即ち、本発明では、断熱管とケーブルコア・冷媒回収管との間の空間が冷媒流路の往路となり、冷媒回収管内が冷媒流路の復路となる。
【００１８】
さらに、冷媒回収管に回収された冷媒を、超電導ケーブルの外部に設ける冷凍機または熱交換器において再度冷却させた後、断熱管の内部に送るようにして冷媒循環システムを構成することができる。
【００１９】
本発明では、冷媒回収管に流入した冷媒を、断熱管の外部にでるまでは、断熱管内の冷媒で冷却することができることから、冷媒回収管内を流れる冷媒の熱損失を軽減することができる。
【００２０】
冷媒回収管は、長手方向に同一径を有する金属パイプで形成してもよいし、金属コルゲートパイプで形成してもよい。冷媒回収管を金属コルゲートパイプで形成する場合には、冷媒回収管を曲げるための力が軽くなり、ケーブルコアへの機械的損傷を防ぐことができる。さらに、超電導ケーブルとしても、曲げ剛性の増加を小さくすることができるので、ケーブルとしての機械特性（曲げ特性、側圧等）を損なうことも無くなる。
【００２１】
本発明の超電導ケーブルは、断熱管の一端側に断熱管内の冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒供給部を設け、冷媒回収管の一端側を冷媒供給部近くから断熱管外部に開口させ、断熱管の他端側で冷媒回収管の他端を断熱管内に連通させるようにすることが好ましい。
【００２２】
冷媒回収管を、冷媒供給部の近くにおいて断熱管の外部に開口させているので、冷媒が断熱管を出て、冷凍機に戻るまでの配管距離をできるだけ短くすることができる。その結果、断熱管の外部での冷媒の熱損失をできるだけ少なくすることができるし、断熱管の回りに配管スペースを大きくとる必要も無くなる。
【００２３】
冷媒流路の往路と復路との境界をケーブル本体内となる断熱管内で処理できることから、冷媒配管を断熱管の外部に出す量を少なくできるので、冷媒回収時の熱損失の低減が図れる。
【００２４】
また、本発明の超電導ケーブルは、断熱管の一端側に冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒供給部を設けるとともに、断熱管の他端側に断熱管内の冷媒を取り出す冷媒取出部を設けるようにしてもよい。このとき、冷媒回収管の一端側を冷媒供給部近くから断熱管外部に開口させるとともに、冷媒回収管の他端を断熱管の他端側から外部に開口させ、冷媒取出部と冷媒回収管の他端を連通させる。
【００２５】
この場合、冷媒取出部および冷媒回収管の他端開口に配管を接続するようにすれば、配管を介して冷媒取出部との冷媒回収管とをそのまま連通させることができるだけでなく、配管を介して併設される同様の超電導ケーブルとの接続または切り替えが可能となる。
【００２６】
断熱管の他端側に断熱管内の冷媒を取り出す冷媒取出部を設け、冷媒回収管の他端を断熱管の他端側から外部に開口させる場合、冷媒取出部の管内部に冷媒回収管を収納させた状態にするようにしてもよい。このようにすることにより、冷媒回収管内を流れる冷媒の熱損失を低減できる。
【００２７】
本発明の超電導ケーブルは、交流超電導ケーブルとしても、直流超電導ケーブルとしても使用できる。そして、本発明の超電導ケーブルを用いて、交流超電導ケーブル線路を形成したり、直流超電導ケーブル線路を形成することができる。
【００２８】
なお、本発明に用いるケーブルコアは、例えば中心から順に、フォーマ、超電導導体、絶縁層を具えている。
フォーマは、金属線を撚り合わせた中実のものや、金属パイプを用いた中空のものが利用できるが、本発明は、中実のものに対して好適である。
【００２９】
中実タイプのフォーマを使用する場合、フォーマは、ケーブルの機械的特性を考慮し、例えば銅素線などの金属線を撚り合わせたものを使用することができる。金属線を用いる場合、金属線に絶縁被覆を施して渦電流損失を低減させるようにすることが好ましい。
【００３０】
超電導導体は、テープ状超電導線材をフォーマの上にらせん状に巻回したものが好適である。テープ状超電導線材は、ビスマス系超電導体などの酸化物高温超電導体を銀シースで被覆した材料が挙げられる。このようなテープ状超電導線材は、全積層数を偶数層とし、各層ごとに巻き付け方向を逆にして巻き付けることが好ましい。その際、巻き付け方向の異なるペア毎あるいは各層毎のテープ線材の巻き付けピッチを同じとする。この導体構造により、外部に漏洩する軸方向の磁界を打ち消すことができる。
【００３１】
絶縁層は、公知の種々の絶縁材料を用いて形成すればよい。例えばポリプロピレンなどを用いた絶縁紙に液体窒素を浸漬させた構造が挙げられる。
本発明ケーブルでは、各ケーブルコアに磁気シールドのためのシールド層を設けても良い。本発明のケーブルを交流超電導ケーブルとして用いる場合には、シールド層を設けることにより、超電導導体の外周に漏れる磁束を遮蔽して超電導線の交流損失を減らすことができる。
【００３２】
また、ケーブルコアを３心撚り合わせ構造とする場合には、例えば、撚り合わせたケーブルコアをスネーク状に配置したり、各コアの撚り合わせに弛みを持たせたり、各コアの間にスペーサを配置することにより、熱収縮分を吸収させることができる。
断熱管は、例えばSUS製コルゲートの内管、外管の二重管構造とすることが好ましく、これらの管の間を真空状態に保つ構造とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明超電導ケーブルの断面図である。
【００３４】
[全体構造]
このケーブルは断熱管1の内部に３心のケーブルコア2を撚り合わせて収納したものである。さらに、断熱管1の内部には、冷媒回収管3が収納されている。
【００３５】
[断熱管]
断熱管1は内管11および外管12を具える２重管からなり、内外管11，12の間に真空断熱層13が構成される。真空断熱層13内には、プラスチック製網状体と金属箔を積層したいわゆるスーパーインシュレーションが配置されている。
【００３６】
内管11の内側とケーブルコア2および冷媒回収管3との間に形成される空間は液体窒素などの冷媒流路の往路となる。そして、冷媒回収管3が冷媒流路の復路となる。また、必要に応じて、断熱管1の外周にポリ塩化ビニルなどで防食層14を形成しても良い。
【００３７】
＜冷媒流路＞
断熱管1には、図２に示すように、断熱管1とケーブルコア2・冷媒回収管3との間に形成される空間に冷媒を供給する冷媒供給部15を設けている。本実施形態では、断熱管1の一端部に冷媒供給部15を設けている。冷媒供給部15から断熱管1の内管11内部に冷媒が供給されて内管11内に冷媒流路の往路が形成される。
【００３８】
冷媒回収管3は、図１および図２に示すように、ケーブルコア2とは別個に併設され、ケーブルコア2の長手方向に沿って断熱管1の内管11内に収納されている。冷媒回収管3は、金属コルゲートパイプで形成されている。
【００３９】
冷媒回収管3は、一端側を冷媒供給部15近くにおいて断熱管1の外部に開口させている。そして、図２に示すように、冷媒回収管3の他端側を冷媒供給部15から離れた位置である断熱管1の他端側で断熱管1の内管11内に開口させている。図２に示す実施形態では、冷媒回収管3の他端側開口から、ケーブルコア2を冷却した後の冷媒を回収するようにしている。
【００４０】
本発明の超電導ケーブルでは、断熱管1とケーブルコア2・冷媒回収管3との間の空間が冷媒流路の往路となり、冷媒回収管3内が冷媒流路の復路となる。断熱管1の冷媒供給部15から内管11とケーブルコア2・冷媒回収管3との間に形成される空間に冷媒を流入させて、冷媒でケーブルコア2および冷媒回収管3を冷却する。そして、ケーブルコア2および冷媒回収管3を冷却した後の冷媒は、冷媒回収管3内に流入させて回収する。
【００４１】
図２に示す実施形態では、冷媒流路の往路と復路との境界を断熱管1内で処理できることから、冷媒配管を断熱管1の外部に引き出すことなく、冷媒流路の復路を形成できる。その結果、冷媒配管を断熱管の外部に出す量を少なくできるので、冷媒回収時の熱損失の低減が図れる。
【００４２】
さらに、冷媒回収管3を金属コルゲートパイプで形成しているので、冷媒回収管3を曲げるための力が軽くなり、ケーブルコア2への機械的損傷を防ぐことができる。
【００４３】
図２においては、冷媒回収管3の他端側を断熱管1内に開口させたが、超電導ケーブルを図３に示すように構成してもよい。図３の超電導ケーブルは、断熱管1の一端部に冷媒供給部15を設けるとともに、断熱管1の他端側に断熱管1内の冷媒を取り出す冷媒取出部16を設け、冷媒回収管3の他端を断熱管1の他端側から外部に開口させるようにしている。
【００４４】
この場合、冷媒取出部16および冷媒回収管3の他端開口に冷媒配管50を接続するようにすれば、冷媒配管50を介して冷媒取出部16と冷媒回収管3とを連通させることができるだけでなく、冷媒配管50を介して同様の超電導ケーブルに接続または切り替えが行える。
【００４５】
さらに、図２示す実施形態では、超電導ケーブルの断熱管1内に冷媒を供給し、冷媒回収管3から冷媒を回収して、回収された冷媒を冷却する冷媒循環システム4を構成している。
【００４６】
＜冷媒循環システム＞
この冷媒循環システム4は、断熱管1内に形成される冷媒往路、冷媒回収管3、第１冷媒配管51、第２冷媒配管52、冷凍機53、リザーバー54、ポンプ55により構成されている。
【００４７】
第１冷媒配管51の一端側は断熱管1の冷媒供給部15に接続される。第２冷媒配管52の一端側は冷媒回収管3に接続される。第１冷媒配管51の他端側は冷凍機53に接続される。第２冷媒配管52の他端側はリザーバー54に接続される。リザーバー54内にはポンプ55が設けられており、このポンプ55によりリザーバー54内の冷媒を冷凍機53に送るようになっている。
【００４８】
そして、ポンプ55の動作により、冷凍機53で冷却された冷媒が第１冷媒配管51を通って、冷媒供給部15から断熱管1内に送られ、冷媒回収管3から第２冷媒配管52を通って、リザーバー54に戻され、戻された冷媒を再度冷凍機53で冷却するようになっている。
【００４９】
図２に示す実施形態では、冷媒回収管3に流入した冷媒は、断熱管1の外部にでるまでは、断熱管1内の冷媒で冷却されることから、断熱管1を出るまでに冷媒回収管3内の冷媒を冷却することができる。
【００５０】
さらに、冷媒回収管3は、冷媒供給部15の近くにおいて断熱管1の外部に開口させているので、冷媒回収管3の開口部からリザーバー54までに至る第２冷媒配管52の距離をできるだけ短くすることができる。その結果、冷媒循環システム4において、断熱管1の外部での冷媒の熱損失をできるだけ少なくすることができるし、断熱管1外部での配管スペースも大きくとる必要が無くなる。
【００５１】
[ケーブルコア]
この断熱管1内に収納されるケーブルコア2の各々は、図１に示すように、中心から順に、フォーマ21、超電導導体22、絶縁層23、シールド層24を具える。
【００５２】
＜フォーマ＞
フォーマ21には、金属線を撚り合わせた中実のものや、金属パイプを用いた中空のものが利用できる。中空のフォーマを用いた場合、その内部も冷媒の流路にすることができるが、ケーブルの機械的特性を考慮すると中実のフォーマとすることが好ましい。中実のフォーマの一例としては、複数の銅素線を撚り合わせたものが挙げられる。銅素線には渦電流損失を低減させるために絶縁被覆を施すことが好ましい。
【００５３】
＜超電導導体＞
超電導導体22には、ビスマス系超電導体などの酸化物高温超電導体を銀シースで被覆したテープ線材が好適である。このテープ線材をフォーマ21の上に多層に巻回して導体を構成する。超電導線材の巻き付けは、偶数層からなる多層構造とし、各層交互にテープ状線材の巻き付け方向を逆にすることが好ましい。この多層構造により、外部への磁束の漏れを小さくすることができる。また、超電導線材の各層のインピーダンスを均一にして電流が均一に流れるように、スパイラルピッチおよび巻回方向を調整することが好ましい。
【００５４】
＜絶縁層＞
このような超電導導体22の外周には絶縁層23が形成される。この絶縁層23はクラフト紙や、ポリプロピレンなどで形成した絶縁紙（例えば住友電気工業株式会社製PPLP：登録商標）を用い、超電導導体22の外周に巻回して構成することができる。
【００５５】
＜シールド層＞
交流用の超電導ケーブルの場合は、絶縁層23の外側に磁気シールドのためのシールド層24を設ける。シールド層24は、絶縁層23の外側に超電導線材を巻回して形成される。このシールド層24に超電導導体22とほぼ同じ大きさで逆方向の電流が誘導されることで外部への磁界の発生をキャンセルすることができる。
【００５６】
〔コアの撚り合わせ構造〕
本発明では、３心コアの撚り合わせ構造としており、撚り合わせたケーブルコア2は、例えば、断熱管1内にスネーク状に配置したり、各ケーブルコア2の撚り合わせに弛みを持たせたり、各ケーブルコア2の間にスペーサを配置することにより、熱収縮分を吸収させることができる。
【００５７】
撚り合わせたケーブルコア2をスネーク状に配置する構成としては、特開平1-309212号公報に示す技術を応用することができる。例えば、断熱管の内部に突部を形成し、この断熱管内に撚り合わせたコアを挿入してスネーク状に収納することが挙げられる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷媒回収管に流入した冷媒は、断熱管の外部にでるまでは、冷媒回収管内を流れる冷媒を冷却することができ、回収されている冷媒の熱損失を軽減できる。
さらに、冷媒回収管を金属コルゲートパイプで形成する場合には、冷媒回収管を曲げるための力が軽くなり、ケーブルコアへの機械的損傷を防ぐことができる。しかも、超電導ケーブルとしても、曲げ剛性の増加を小さくすることができるので、ケーブルとしての機械特性（曲げ特性、側圧等）を損なうことも無くなる。
【００５９】
また、冷媒回収管の他端側を冷媒供給部から離れた位置である断熱管の他端側で断熱管内に開口させる場合には、冷媒流路の往路と復路との境界を断熱管内で処理できる。従って、冷媒配管を断熱管の外部に引き出すことなく、冷媒流路の復路を形成できるので、冷媒配管を断熱管の外部に出す量を少なくでき、冷媒回収時の熱損失の低減が図れる。
【００６０】
さらに、冷媒回収管は、冷媒供給部の近くにおいて断熱管の外部に開口させる場合には、冷媒の断熱管内へ流入させる箇所と流出される箇所とを近くすることができる。そのため、冷媒が断熱管を出て冷却システムとなる冷凍機等に戻るまでの配管距離をできるだけ短くすることができる。従って、断熱管の外部での冷媒の熱損失をできるだけ少なくすることができるし、断熱管外部での配管スペースも大きくとる必要が無くなる。
【００６１】
また、超電導ケーブルは、断熱管の一端部に冷媒供給部を設け、断熱管の他端側に冷媒取出部を設け、冷媒回収管の他端を断熱管の他端側から外部に開口させて、冷媒取出部と冷媒回収管の他端とを連通させる場合には、冷媒取出部および冷媒回収管の他端開口に接続する冷媒配管を介して他のシステムに接続または切り替えが行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明超電導ケーブルの断面図である。
【図２】本発明超電導ケーブルの実施形態にかかる冷媒循環システムを示す説明図である。
【図３】本発明超電導ケーブルの他の実施形態にかかる冷媒循環システムを示す説明図である。
【符号の説明】
1 断熱管
11 内管
12 外管
13 真空断熱層
14 防食層
15 冷媒供給部
16 冷媒取出部
2 ケーブルコア
21 フォーマ
22 超電導導体
23 絶縁層
24 シールド層
3 冷媒回収管
4 冷媒循環システム
50 冷媒配管
51 第１冷媒配管
52 第２冷媒配管
53 冷凍機
54 リザーバー
55 ポンプ
Claims (3)
- 超電導導体を有するケーブルコアと、
ケーブルコアが収納され、管内部に冷媒流路の往路が形成される断熱管と、
断熱管内にケーブルコアと併設されて収納され、冷媒流路の復路が形成される冷媒回収管とを具え、
冷媒回収管が金属コルゲートパイプで形成されていることを特徴とする超電導ケーブル。 - 断熱管の一端側に断熱管内の冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒供給部を設け、
冷媒回収管の一端側を冷媒供給部近くから断熱管外部に開口させるとともに、断熱管の他端側において、冷媒回収管の他端を断熱管内に連通させていることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル。 - 断熱管の一端側に冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒供給部を設けるとともに、断熱管の他端側に断熱管内の冷媒を取り出す冷媒取出部を設け、冷媒回収管の一端側を冷媒供給部近くから断熱管外部に開口させるとともに、冷媒回収管の他端を断熱管の他端側から外部に開口させ、
冷媒取出部と冷媒回収管の他端を連通させていることを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル。
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