JP6103603B2 - 超伝導ケーブルと設置方法 - Google Patents

Description

（関連出願についての記載）
本発明は、日本国特許出願：特願２０１２−０８５０４４号（２０１２年４月３日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。

本発明は、超伝導ケーブルの構造と設置方法に関する。

超伝導ケーブルの冷却時（低温時）の長さは、常温の長さに対して０．３％程度熱収縮することが知られている（例えば長さ２ｋｍ、１０ｋｍの超伝導ケーブルの熱収縮はそれぞれ、約６ｍ、３０ｍとなる）。通常の架空線が重力による垂下の為に長くなる距離は０．１％程度（電気学会編「送電工学」第２版 オーム社１９７６年初版）である。熱収縮対策無しの場合、弾性応力範囲内に設置しても超伝導ケーブルの破断も想定される。これは、冷却時の熱収縮が超伝導ケーブル長手方向に沿って一様でないことも、原因の１つと思料される。

高温超伝導（ＨＴＳ）テープ線材は、応力（ｓｔｒｅｓｓ）が印加されると歪み（ｓｔｒａｉｎ）が発生し、臨界電流が下がる。図１は、非特許文献１のＦｉｇ． ３（ａ）から引用したものであり、臨界電流と歪みの関係を示している。図１の横軸は歪みであり、縦軸は規格化した臨界電流Ｉｃ／Ｉｃｏである。横軸の歪みの極性は、圧縮方向、引っ張り方向をそれぞれ負、正としている。温度によって臨界電流の値は異なる。ある温度の時の歪みをゼロに規格化している。温度が高いと臨界電流は急激に下がるが、低くなると変化は少ない。テーブ線材に歪みが発生すると、引っ張り、圧縮とも、臨界電流Ｉｃ／Ｉｃｏが低下する。ＨＴＳを利用した超伝導ケーブルの運転温度は７０Ｋ以上である。ＨＴＳテープ線材に応力が発生しないようにすることが課題である。

超伝導ケーブル（ＳＣ ｃａｂｌｅ）が熱収縮する方向に超伝導ケーブル両端の端末クライオスタット（ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｃｒｙｏｓｔａｔ）を移動させる方式が用いられている。図２に、本件出願人である中部大学の２００ｍ超伝導ケーブル実験装置（移動式クライオスタット方式）の例を示す（非特許文献３のＦｉｇ．４）。手動とコンピュータ制御で架台を移動させる。熱収縮０．３％に対応して２００ｍの０．３％＝０．６ｍまで移動可能とされる。超伝導ケーブルを収納する断熱２重管も伸縮する必要があるため溶接ベローズが用いられる。テープ線材に応力を印加すると、臨界電流が減少し熱応力を緩和するため、ケーブル両端末を熱収縮方向には固定せず、端末クライオスタットをレールに乗せて、熱収縮に応じてベローズを介して可動させる構成としている（非特許文献２等参照）。

図３に、断熱２重管部の収縮伸張部用溶接ベローズの一例を示す。ガイド（案内）を付け、断熱２重管の内管と外管の間の真空を保持し超伝導ケーブルに合わせて伸縮自在とされる。本件出願人（中部大学）では、これまで５回の実験（冷却と昇温で一回の実験として）を行っているが、大きな問題は生じていない。

前述したように、超伝導ケーブルの長さが２ｋｍ、１０ｋｍとなると、熱収縮距離はそれぞれ、６ｍ、３０ｍにもなるため、図２に示したような、移動式クライオスタット方式では、限界があり、熱収縮を吸収することはできない。

なお、常温から低温となると超伝導ケーブルが熱収縮するが、超伝導ケーブルを固定するにあたり、その収縮を弾性部材で吸収する構成が特許文献１に開示されている。

特許文献２には、冷却時に撚り合わせ径が変化することによりケーブルコアの長手方向の熱収縮を吸収する中心介在物を備えた構成が開示されている。特許文献２には、中心介在物として袋状体内部に、液体窒素温度（低温時）で液化又は固化するガス、ＳＵＳ等金属線条体の外周に固化材料を設けるか、液体窒素温度（低温時）で液化又は固化するガスを備える、形状記憶合金をスパイラル状に形成した構成が開示されている。特許文献３には、超伝導ケーブルの冷却時の熱収縮を吸収するケーブルコアのスネークを形成した超伝導ケーブル製造方法が開示されている。また、特許文献３には超伝導導体に形状記憶合金を用いた超伝導ケーブルが開示されている。

再公表２００９／１４５２２０号公報 特許第３５６８６５９号公報 特許第３５１２９２７号公報

Michinaka Sugano et al.， "The reversal strain effect on critical current over wide range of temperatures and magnetic fields for YBCO coated conductors"， Superconductor Science and Technology. Number 8， Vol. 23 (2010) 085013 特集：冷凍・冷熱技術「直流超伝導ケーブル用冷却システムの研究開発」、山口作太郎、超伝導Ｗｅｂ２１、ISETC(International Superconductivity Technology Center：財団法人 国際超電導産業技術センター），２０１１年６月号 ［検索日：２０１２年３月２６日］、インターネット＜URL:http://www.istec.or.jp/web21/pdf/11_06/J4.pdf＞ S.Yamaguchi et al.， "Experiment of 200-meter superconducting DC cable system in Chubu University"， Pysica C 471 (2011) 1300-1303

本発明は、上記問題点に鑑みて創案されたものであって、その目的は、冷却時の熱収縮を吸収する構造の超伝導ケーブルと設置方法を提供することにある。

本発明によれば、フォーマ（former）と、前記フォーマの外層に絶縁層を介して巻かれ冷却時に超伝導となる超伝導線材とを含み、常温時には、ケーブルがその長手方向に沿って旋回するヘリカル状、冷却時にはケーブルが直線状の形状となる超伝導ケーブルが提供される。

本発明によれば、前記超伝導ケーブルを設置するにあたり、常温で直線状の超伝導ケーブルを断熱２重管内管に挿入して、ケーブル長手方向中心部を断熱２重管の内管に固定し、前記断熱２重管内管に冷媒を導入し前記超伝導ケーブルを熱収縮させたのち、常温になるとヘリカル形状に変形し、常温でヘリカル形状に変形したのち前記超伝導ケーブルの両端に端末クライオスタットを取り付ける、超伝導ケーブル設置方法が提供される。

関連する別の側面によれば、フォーマと、前記フォーマの外層に絶縁層を介して巻かれ冷却時に超伝導となる超伝導線材とを含み、ケーブルがヘリカル変形する方向と前記超伝導テープ線材の巻線方向を同じ方向としてなる超伝導ケーブルが提供される。

関連する別の側面によれば、外側２層以上のフォーマ素線の巻線方向を、同じ方向としてなる。本発明によれば、常温時には、ケーブルがその長手方向に沿って旋回するヘリカル状、冷却時にはケーブルが直線状の形状となる。本発明によれば、複数の超伝導テープ線材が交差するように配置されている。

本発明によれば、冷却時の超伝導ケーブルの熱収縮を吸収することができる。

応力と規格化された臨界電流の関係を示す図である。 移動式クライオスタット方式構造を示す図である。 断熱２重管部の収縮伸張部用溶接ベローズを示す図である。 冷却・昇温を繰り返したときの移動式クライオスタットの位置を示す図である。 低温時のケーブルのＸ線写真である。 常温時のケーブルのＸ線写真である。 ２００ｍケーブルの構造を示す図である。 撚り線構造を持つケーブルの一例を示す図である。 銅ワイヤと形状記憶合金ワイヤによるフォーマ断面を示す図である。 超伝導ケーブルを長手方向中央付近で断熱２重管に固定する構造を説明する図である。 超伝導ケーブルの例を示す図である。 超伝導ケーブルの例を示す図である。 超伝導ケーブルの例を示す図である。 超伝導テープ線材の配置による臨界電流測定例を示す図である。 間隔と臨界電流測定結果を示す図である。 超伝導テープ線材をクロス配置した例を示す図である。 テープ線材ガイドの一例を示す図である。 ２段の超伝導テープ線材の一方に超伝導テープ線材ガイドをつけた例を示す図である。 テープ線材ガイドの製造例を説明する図である。 断熱２重管に超伝導ケーブルを挿入する工程を説明する図である。

常温時には、冷却（低温）時（熱収縮する）よりも、超伝導ケーブルの長さは長い。実施形態では、常温時のケーブル形状をヘリカル状とすることで、常温時において、例えば超伝導ケーブル両端のクライオスタット端末間の距離は、実際の超伝導ケーブル長より短い。低温時には、熱収縮により超伝導ケーブルの長さは短くなるが、冷却時には、ケーブル形状は直線状であるため、クライオスタット間の距離は、常温時とほぼ同一とされる。すなわち、常温時、低温時のいずれの場合も、クライオスタット間距離はほぼ一定となる。こうすることで、低温時に、超伝導ケーブルは、熱収縮により常温時よりも長さは短くなるが、歪み（引っ張り）が発生しないようにしている。

超伝導ケーブルの組み立てに関して、本願出願人における２００ｍ超伝導ケーブル実験装置では、断熱２重管の組み立て後、超伝導ケーブルを挿入する。入口から超伝導ケーブルを挿入し、ワイヤー・超伝導ケーブルで超伝導ケーブルを引っ張ると、同時に後ろから押し込むようにして挿入する。

超伝導ケーブルが断熱２重管内に設置された段階では、超伝導ケーブルは、直線状に設置される。超伝導ケーブルの両端は移動式の端末クライオスタットに接続される。熱応力を緩和するため、超伝導ケーブル両端は、クライオスタットに対して、熱収縮方向には固定されていない。超伝導ケーブルは例えば熱収縮方向とは、別の２つ方向には支持されている。超伝導ケーブルが急激に動き、その動きに移動式の端末クライオスタットがただちに追従できない場合でも、超伝導ケーブルに大きな応力（歪み）が発生しない。

図４に、冷却・昇温を繰り返したときの移動式クライオスタット（クライオスタットＡ、Ｂ）の位置を示す。冷却は、クライオスタットＡ側から冷媒（液体窒素）を導入した。また、基準位置は、最初に超伝導ケーブルを設置した位置をゼロとしている。

図４から分かるように、超伝導ケーブルは設置後、冷却時に縮むため、２つのクライオスタットＡ、Ｂを移動させる。その距離は、１６３＋２９９＝４６２ｍｍ（第１回目冷却）である。２００ｍ×０．３％＝６００ｍｍよりも短い。これは、超伝導ケーブルが断熱２重管内で少し余裕があるためと思料される。

その後、昇温させる（第１回目昇温）と、２つのクライオスタットＡ、Ｂの距離は元に戻らず、１８１−２８＝１５３ｍｍと短くなったままである。２回目、３回目の冷却・昇温のサイクルにおいて、常温に戻しても、２つのクライオスタットＡ、Ｂの距離は短くなったままである。なお、３回目では、できるだけ超伝導ケーブルが長くなるように各種制御を行っている。

本願発明者は、常温でも、短くなったままであることの原因を探るために、Ｘ線透視撮影を行った。図５に、低温時（第２回目の冷却後）のＸ線写真を示す（非特許文献３のＦｉｇ．６ｂ）。ＨＴＳ超伝導ケーブルと、外側の断熱２重管の内管（ｉｎｎｅｒ ｐｉｐｅ）と内部の液体窒素が写っている。このため、全体として白くなっている。超伝導ケーブルは曲率半径の径方向内側に寄っている。

図６に常温時（第１回目の昇温後）Ｘ線写真を示す（非特許文献３のＦｉｇ．６ａ）。液体窒素が存在しない。超伝導ケーブルは内管の一方の側から反対側に位置を変えている。

図５、図６の２つのＸ線写真は、断熱２重管を上部からＸ線を照射し、下部にフィルムを置いて撮影した。水平方向から撮影した結果、常温時には、超伝導ケーブルはヘリカル状に変形し、低温時にはほぼ直線状であることが分かった。

このため、一度冷却を行った後、昇温しても、クライオスタットの位置は完全には元に戻らない。２００ｍ超伝導ケーブル実験装置では、当初目標とした、常温時には超伝導ケーブルがヘリカルになり、低温時には超伝導ケーブルは直線状になっていることが分かった。超伝導ケーブルの上記振る舞いについて検討した。

図７に、２００ｍ超伝導ケーブルの一例を示す（非特許文献３のＦｉｇ．１）。ＨＴＳテープ線材が３層あり、内側の２層と外側の１層で同軸形状をしている。中心には、フォーマ（Ｆｏｒｍｅｒ）（銅の撚り線の巻芯）があり、外側をＰＰＬＰ（Ｐｏｌｙ−Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｌａｍｉｎａｔｅｄ Ｐａｐｅｒ）の絶縁テープ材を複数層巻いてある。２層のＨＴＳテープ線材（厚さ０．３ｍｍ、幅４ｍｍ）、ＰＰＬＰ絶縁、ＨＴＳテープ線材（同軸超伝導ケーブルの外側極になる）を備え、さらにＰＰＬＰを備え、アース電位（接地）を取る銅薄膜を巻き、その上に保護層を付けて仕上げている。

超伝導ケーブルの断熱２重管内への引き込み時、フォーマを引っ張る。フォーマが機械的な超伝導ケーブル特性（強度等）を決める。超伝導ケーブルの機械的な特性はほぼフォーマによって決まる。

フォーマの振る舞いによって超伝導ケーブルの機械的な振る舞いは決まる。フォーマは銅の撚り線構造である。撚り線構造では、撚り線に残留応力が残留する。超伝導ケーブルを自在に変形可能とすれば、残留応力によって超伝導ケーブルが変形するものと思料される。

撚り線構造であれば、捻れ方向の残留応力が残る。捻れ方向の残留応力によって、超伝導ケーブルが変形するとすれば、超伝導ケーブルはヘリカル状になることが思料される。

常温では、超伝導ケーブルにはほとんど外力が印加されない。このため、捻れ方向の残留応力によって、超伝導ケーブルはヘリカル状となる。

低温では、熱収縮によって、摩擦等の外力により引っ張り力がある程度あるため、超伝導ケーブルは直線状になるものと思料される。

そこで、残留応力を積極的に利用する。すなわち、超伝導ケーブル・フォーマの残留応力を利用して超伝導ケーブルの熱収縮を吸収する。

超伝導ケーブルは素線を撚って作成される。大きな残留応力があると、超伝導ケーブルはヘリカル状になる。そこで、残留応力を消すようにして超伝導ケーブルの製造が行われる。図８に、撚り線構造の一例を示す。図８に示す例では、複数層の撚り構造において、撚り構造の層が変わる毎に逆方向に撚ることで、一方向に大きな残留応力が残らないようにしている。

図８の例では、４本の素線が右手方向に右ネジに撚って１本のワイヤを構成し、該ワイヤを４本集めて左ネジ方向に撚ることで超伝導ケーブル導体を作成している。超伝導ケーブルの撚り線方向の残留応力は、最外層の撚り方向に出ることが一般的である。常温でヘリカル状になる形状と、最外層の撚り方向は同じになるものと思料される。

ところで、残留応力は、機械加工や素線材料及びピッチや熱処理等によって変化する。超伝導ケーブルの必要な変形を得るには、これらの条件を総合して、加工や材料の選択が行われる。

温度変化によって形状が変化する形状記憶合金は、温度によって同じ金属がオーステナイト相とマルテンサイト相に変態することを利用している。形状記憶合金も熱収縮する。したがって、常温では、ヘリカル状になる形状記憶合金をワイヤとし、低温では直線状に変形するようにした形状記憶合金をフォーマに使う。形状記憶合金には、変形が始まる変態開始温度と変態終了温度がある。フォーマを構成する全ての撚り線を、形状記憶合金素線にする必要はない。フォーマは、例えば超伝導ケーブルの接続回路が短絡したときに大電流を流すために使われることもあるため、図９に示すように、フォーマに銅ワイヤ２を入れておく。

図９は、銅ワイヤ素線１を用いた銅ワイヤ２と形状記憶合金ワイヤ素線３を用いた形状記憶合金ワイヤ４を撚ったフォーマの断面の一例を示す図である。

図９の例では、フォーマは、１９本のワイヤを撚って作成される。そのうちの４本のワイヤが形状記憶合金ワイヤ素線３でできたワイヤ４である。残り１５本が、銅ワイヤ素線１を用いた銅ワイヤ２である。

なお、図９の断面形状からも、特許文献２の中心介在物として形状記憶合金をスパイラル状に形成した構成とは相違していることがわかる。

形状記憶合金の変態開始温度と終了温度を、それぞれのワイヤで同じとすることが一般的である。しかしながら、広い温度範囲で、少しずつ、形状が変わるように制御するようにしてもよい。更に、フォーマ断面のどこに形状記憶合金ワイヤを配置するかも重要である。更に、交流超伝導ケーブルでは、３本の超伝導ケーブルを一つの断熱２重管内に設置する。この時、３本超伝導ケーブルは、隙間をあけて撚ってある。

それぞれの超伝導ケーブルが撚られる方向と、それぞれの超伝導ケーブル・フォーマの撚り方向は、同じにすることが必要となる。これによって、３本超伝導ケーブルの撚り加工が容易になる。また、３本超伝導ケーブル間の隙間の管理も容易化する。

あるいは、冷却時には、超伝導ケーブルの両端の引っ張りと、部材の長手方向の熱収縮により、ケーブルを直線状の形状とする部材（バネ部材）を備えた構成としてもよい。

図９において、銅ワイヤ２を構成する銅ワイヤ素線１の加工歪み等によって、常温ではケーブルがヘリカル状になるように、フォーマを製造するようにしてもよい。この場合、図９の形状記憶合金ワイヤ４はなくてもよい。

図９において、形状記憶合金ワイヤ素線３でできたワイヤ４のかわりに、あるいは、ワイヤ４に加えて、銅素線以外にステンレス線やそれ以外の素線（例えば「りん青銅」等のバネ材になる材料を用いる）を、フォーマ素線に混ぜ込み、加工及び加工歪等によって常温ではヘリカル状になるように、フォーマを製造するようにしてもよい。これらの材料は、銅よりもヤング率が大きいので、加工歪やヘリカル状に加工したときの戻り力は大きくなる。このため、戻り力の制御が容易化し、加工性も良い。

上記したフォーマを持つ超伝導ケーブルの設置の一例について以下に説明する。

撚り方向に残留応力があるとき、超伝導ケーブルの一方を支持する事によって所定の形状を得ることができる。２００ｍ超伝導ケーブル実験装置の組み立ておいて、当初、超伝導ケーブルを断熱２重管内に引き込んだときには、超伝導ケーブルは、常温でも直線状になっている。組み立ての終了前に、両端に、端末クライオスタットを取り付けることになる。その前に超伝導ケーブルをヘリカル状に変形させる必要がある。以下、この手順について説明する。

最初に超伝導ケーブルを断熱２重管内に引き込み、断熱２重管内に設置を完了する。この状態では、超伝導ケーブルは断熱２重管にそってほぼ直線状に配置される。これは、設置時に発生する応力や摩擦力などのため、超伝導ケーブルが直線状となるように製造されているためである。この時、超伝導ケーブルは、断熱２重管よりも長めに設定される。したがって、超伝導ケーブルの両端は断熱２重管の端部から外に出ている。

つぎに図１０に示すように、超伝導ケーブル長手方向に対して、中心部を断熱２重管の内管に固定する（固定部１５）。なお、断熱２重管の内管も外管には固定されている。外管は断熱２重管を支持する機構（支持部）に固定されている。超伝導ケーブルの中心は空間的には移動しない。

図１０に示すように、冷媒導入口１５から、断熱２重管内管１１に冷媒（液体窒素：低温ガス）を導入する。超伝導ケーブル１２の熱収縮が開始する。超伝導ケーブル１２の設置直後は、超伝導ケーブル１２はほぼ直線状である。

低温時、超伝導ケーブル１２は、その中心部から熱収縮を開始する。超伝導ケーブル１２は直線状になろうとする。そして、超伝導ケーブル１２の状態をそのままにして放置すると、ゆっくりと温度が上昇する。

すると、超伝導ケーブル１２端部は固定されていないため、超伝導ケーブル１２の設置時の応力や摩擦力等から、超伝導ケーブル１２は自由になり、常温に近づくにつれて、ヘリカル状に変形する。これは、２００ｍ超伝導ケーブル実験装置と同じ振る舞いである。

そして、常温に戻り、超伝導ケーブル１２がヘリカル状になった後に、超伝導ケーブル１２の両端に端末クライオスタット（不図示）を取り付ける。

なお、超伝導ケーブル１２が長く、ドラムに巻かれている超伝導ケーブルを何度も接続するときには、２本の超伝導ケーブルを接続する前に、上記のような手順をとることで、接続部の位置は、それほど変化しない。このため、長距離・超伝導ケーブルの設置に有効である。

常温でヘリカル状であり低温になったときに直線状になるため、端末クライオスタットを移動させる距離を、短縮することができる。超伝導ケーブルの熱収縮を完全に吸収できれば、端末クライオスタットを移動式にする必要はなくなる。

更に、２００ｍ超伝導ケーブル実験装置では、超伝導ケーブルは、端末クライオスタットに、熱収縮方向には、固定していないが（他の２方向は固定してある）、基本的に、超伝導ケーブルに働く外力はフォーマが支えることができる。

そこで、超伝導ケーブルには、許される範囲内であれば、応力が働いてもよい。超伝導ケーブル・フォーマの端末取付部に歪ゲージを取り付け、超伝導ケーブル許容範囲で端末クライオスタットを移動するように制御してもよい。

上記のような、超伝導ケーブル構造、及び、断熱２重管内への超伝導ケーブル引き込みとすることで、超伝導ケーブルがさらに長距離になり、熱収縮が更に大きくなった場合でも、超伝導ケーブルの実現を可能としている。

実施形態によれば、フォーマを構成する銅素線（図９の銅ワイヤ）の加工歪み等によって、常温ではケーブルがヘリカル状になるようにフォーマを製造するようにしてもよい。この場合、図９の形状記憶合金ワイヤ４はなくてもよい。

あるいは、銅素線以外に、例えばステンレス線やそれ以外の材料の素線（例えば上記「りん青銅」等のバネ材になる材料を用いる）をフォーマ素線に混ぜ込み、加工及び加工歪等によって常温ではヘリカル状になるようにフォーマを製造する。ステンレス線等は銅よりもヤング率が大きいので、加工歪やヘリカル状に加工したときの戻り力は大きくなるので、戻り力の制御が行い易く、加工性が良くなる。

リん青銅のようなバネ部材（弾性部材）の形状は必ずしも素線にする必要はない。例えば、当該バネ部材をテープ状でフォーマに巻き付けることによって形状変化を促すようにしてもよい。

すなわち、バネ部材でヘリカル状の形状を作り、引っ張り力をかけながら銅素線と一緒に撚って、フォーマを製造する。超伝導ケーブルの製造時にはフォーマを引っ張っているので、フォーマは直線状であり、これに電気絶縁層や超伝導線材（ＨＴＳ）等を巻き上げケーブルに仕上げる。このとき、常にフォーマに引っ張り力をかけてケーブルとしては真っ直ぐになっている。その状態でドラムに巻き付ける。低温（冷却時）での熱収縮（０．３％程度）により、ヘリカル状になるとしても、かなり大きな変形になるため、ケーブルの曲げ曲率に比べて、ヘリカル状撚り線のピッチの曲率は小さくすることが必要である。

低温（冷却時）では、フォーマを引っ張る必要があるので、端末クライオスタットにてケーブルを固定台に固定し、当該固定台が直線状になるような変形が必要な引っ張り力をかけるようにする。固定台が引っ張りすぎてもケーブルが切れる可能性がある。そこで、所定値（閾値）以上の引っ張り力が印加されたら、移動式クライオスタットを動かしてケーブルが切れないように制御する。

冷却時でもケーブル全体の温度分布等によってケーブルは伸縮する可能性がある。ケーブルの伸縮に応じて端末クライオスタットを移動する。固定台は当初位置からケーブルの伸縮に応じて伸縮自在とされ、平衡位置からのズレに対して一定の力をケーブルに伝える。また、昇温時も同様に端末クライオスタットを移動してケーブル形状や引張応力や具体的には固定台にバネを付けて、バネの一端を端末クライオスタットに固定すると、バネによって一定の引っ張り力がかかるようになる。これを、例えばＴＶカメラで監視して、一定以上の力がフォーマにかからないようにする。

本実施形態において超伝導ケーブルの外観は、例えば図１１のような構造をしている。これは本件出願人（中部大学）の２００ｍケーブルの構成を示す図（写真）である。中心に銅素線を撚って作ったフォーマ（ｆｏｒｍｅｒ；断面構成は例えば図９の構成）があり、その上に電気絶縁層、高温超伝導テープ線材（ＨＴＳ Ｔａｐｅ）がある。さらに、薄い一枚のテープ層があり、その上に更にＨＴＳテープ線材がある。次に、電場を一様にするための半導体紙があり、電気絶縁層、その上に銅箔でアース電位にする層（ｅａｒｔｈ ｌａｙｅｒ）がある。そして、半導体紙を巻いて、最後に白い保護層を巻いて仕上げる。

２つのＨＴＳテープ線材層があるが、これはフォーマに巻き付けてあり、撚り方向は２つの層が逆になっているのが分かる。このように、撚り方向が逆になるのは、ケーブルをどちらの方向にも曲げることが出来るようにするためである。一方、フォーマがヘリカル状になると、ＨＴＳテープ線材は同じ撚り方向であれば、撚りは締まり、逆撚り方向であればＨＴＳテープ線材は緩む。これはＨＴＳテープ線材を多層に巻くときに不都合である。そこで、ＨＴＳテープ線材の撚り方向は同じ方向にする。すなわち、全て緩む方向か全て締まる方向にすることが必要である。

＜ケーブルのフォーマ構造＞：
高温超伝導ケーブルは常温から液体窒素温度までに０．３％程度の熱収縮がある。長いケーブルではこれを吸収する構造を持ち込まないと、ケーブルが切断されたり、超伝導素線の特性が劣化したり、昇温時には座屈の問題が出てくる。本願出願人において２００ｍケーブル実験装置では、興味深い現象が発生した。超伝導ケーブルが常温ではヘリカル状に変形し、低温では直線状になっている。これは複数回の冷却と昇温プロセスを経て観測された。このため、ケーブルの熱収縮長は、端末で観測していると、実質的に短くなる。このような現象が発生する理由として、下記の項目が総合的に関連しているものと思料される。

ケーブル・フォーマに残留応力が残っていて、ヘリカル変形を起こしやすい、
ケーブルを納める断熱２重管の曲部でケーブルが実質的に固定されやすい、
常温でヘリカル状に変形する、という現象を積極的に利用して、ケーブルの熱収縮を吸収する機構を構築することが技術的な目標である。

ケーブル・フォーマがヘリカル変形する残留応力は、フォーマを作る複数の素線の撚り線によって構成され、それらが強固に互いに固定されているからである。この構造によってケーブルのヘリカル変形のピッチや振幅などのパラメータが決まってくる。現在のケーブル構造（中部大学２００ｍケーブルの側面）を、図１２に例示する。外導体と内導体は２０ｋＶで電気絶縁されている。また、共にアース電位からは１０ｋＶで電気絶縁されている。導体はフォーマに巻き付けてあり、隙間はほとんど無い。巻き付け方向は層毎に反転している。

一般に、ケーブルを構成する素線の撚り線方向もしくは巻線方向は層毎に反転させている。これはどちらの方向にも曲げやすいからである。また、巻線を行わないと曲げることができないからである。図１３は、超伝導テープ線材の巻線方向を揃える構造を示している。本実施形態では、ケーブルがヘリカル変形する方向と超伝導テープ線材の巻線方向を同じ方向にする。ケーブルがヘリカル変形する方向はフォーマの素線の巻線方向によって変わる。図１２に示すように、フォーマも多くの素線を撚り線で作られている。現在までの実験では、フォーマのヘリカル変形する方向は、フォーマ素線の最外層の巻線方向であり、これが強固に内側にあるフォーマ素線と結合していることによってヘリカル変形する。

図１２の超伝導テープ線材の様に層毎に撚り線（巻線）方向が異なっている。このため、色々な条件でヘリカル変形はでたり、でなかったりする。したがって、確実にヘリカル変形するように、外側２層以上のフォーマ素線の巻線方向を同じ方向にする。

＜ケーブルの高温超伝導テープ線材の配置方法＞
次に、ケーブルの超伝導テープ線材の配置構造について説明する。本願出願人は、図１４に示す超伝導テープ線材の実験を行ってきた。超伝導テープ線材を３本用意し、それを一つの平面に並べて、中心のテープ線材の臨界電流を測定する場合であり（図１４（Ｂ）の（ａ））、テープ線材間距離を変えて臨界電流を測定する。

図１４（Ｂ）の（ｂ）では、テープ線材３本を２段に積層し、下２本の超伝導テープ線材Ａ、Ｃ間の距離をパラメータｄに上の超伝導テープ線材Ｂの臨界電流を測定する。最後の場合（図１４（Ｂ）の（ｃ））は、３本の超伝導テープ線材Ａ、Ｂ、Ｃを３段に積み上げて、中心のテープ線材の臨界電流測定を行う。

図１５に臨界電流測定結果を示す（横軸は間隔ｄ、縦軸は電流値）。なお、電流の流れる方向は皆同じ方向であり、テープ線材はどれも平行である。したがって、巻線方向が同じ方向になっていることに対応する。図１５において、単体一本の臨界電流は１６５Ａ（Ampere）である。

実験結果をまとめると下記のようである。

一本単体の臨界電流１６５Ａに比べて、３本を積層した場合は中心のテープ線材の臨界電流は１３６Ａまで低下した。

一つの平面に並べて間隔をパラメータにして臨界電流測定を行うと、間隔が無い場合（間隔ｄ＝０ｍｍ）が一番大きかった。そして、単体の臨界電流より大きくなった。

２段に積層し、中心のテープ線材の臨界電流は下段のテープ線材間距離が２ｍｍ程度の時に大きくなり、１８５Ａを超した。

重要な事は下段のテープ線材の間に上段のテープ線材が位置することである。なお、図１６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、超伝導テープ線材１８が平行ではなくて、クロス（交差）するように配置すると、臨界電流はどれも減少した。図１６（Ａ）は部分を示し、図１６（Ｂ）は、ケーブルを模擬するために、アルミ円柱に巻回した状態を示している。したがって、図１３のように平行に設置することが望ましいことが実験的に検証された。

以上の結果から、図１２に示したケーブル内側導体の構成では、２段になっているので、互いにそれぞれの層の間に線材が来るようにすることが望ましい。簡単な磁場解析を行うと、テープ面に垂直磁場成分が減少していることが分かる。なお、ケーブルが曲げることができるのは、テープ線材が巻芯に対して滑るからである。そして、曲げ部の外側はテープ線材間距離が広がり、内側は狭まる。よってテープ線材距離によって曲げ部の半径が決まってくる。

テープ線材はそれぞれの層毎に勝手に移動するので、２段になっている超伝導テープ線材がそれぞれの別の層の超伝導テープ線材の間に位置することを保障する必要がある。そこで、図１７に示すようなテープ線材ガイド（金属ガイド）を用意する。所定幅（＝１ｍｍ）の溝部の両側の縁にそれぞれの一端で接し、超伝導テープ線材の幅に対応した間隔（例えば４ｍｍ）離間して相対して配置される第１、第２の側壁（高さ：０．２５ｍｍ）の底部に他端がそれぞれ接する第１、第２の領域（拡延部）を備えた断面形状（長手方向に直交する断面構造）のガイド１９を有する。

図１８に示すような、ケーブル断面配置構造にすることが望ましい。１段目（下段）の隣接超伝導テープ線材の間隙にガイド１９の溝部が収容され、ガイド１９の第１、第２の側壁の間の第１、第２の領域に、２段目（上段）の超伝導テープ線材１８が収容される。

特に制限されないが、テープ線材ガイド１９の材料としては、例えば、銅、アルミ、ステンレスなどがある。また、厚さは５０ミクロンから１００ミクロン程度が想定される。図１８は、上層のテープ線材にガイドを取り付けた場合を示している。この様な構造のため、ケーブルが曲げられても、上下２層の超伝導テープ線材は、互いにテープ線材間に、自動的に配置される構成とされ、臨界電流の低下を防止する。この様な構造を取ると、図１３に示した様なケーブル構造を変えることができる。

つまり、同軸で往復導体構造になっているケーブルが、内導体はテープ線材が２３本有り、外導体は１６本からなっているので、流せる電流は外導体のテープ線材で決まり、内導体には余分なテープ線材が使われていることになる。関連技術では、クロスに巻線を行い、テープ線材の隙間を無くすると変更の施しようがない。

しかし、上記した方法を用いることで、内導体のテープ線材本数も外導体とほぼ同じにできる。これは、ケーブルコストを下げることを意味する。図１９に模式的に示すように、テープ線材ガイドは、ローラーで金属薄膜を圧延すれば製造できる。

＜ケーブルの設置方法＞
次に、ケーブルの敷設方法について述べる。図２０は、ケーブルを断熱２重管に挿入したときの状態を模式的に示す図である。図２０は、路線長が長いので、中間部でケーブルを接続して長くする場合を示していて、送電側か受電側は端末クライオスタット（図ではクライオと表示）である。布設手順を以下に順に述べる。

１．断熱２重管を線路に沿って組立上げる。断熱２重管を真空排気し、断熱性能を確認する。その中にケーブルを引き込む。引き込むときにはケーブルにロード・セル（荷重変換器）を取り付けてケーブルに働く力を測定し、ケーブルに働く引っ張り応力が設計値を超さないように管理する。

２．ケーブルが断熱２重管内に挿入され、両端から十分にケーブルがでていることを確認して、一方側を断熱２重管に固定する。もう一方は固定をしない。この時、ケーブルの状態をＸ線写真で確認する。

３．断熱２重管に液体窒素を導入する。導入は固定端側から行う。これによってケーブルは熱収縮を開始する。この時、ケーブルの温度分布測定を行うと同時に非固定端側のケーブルが断熱２重管内に引き込まれる長さ及び荷重をロード・セルで測定する。

４．ケーブルが全長にわたり液体窒素温度になったことを確認し、ケーブルの非固定端を断熱２重管に固定する。これによって、低温でケーブルの両端が断熱２重管に固定される。この時、ケーブルの状態をＸ線写真で確認する。

５．昇温をゆっくり開始する。昇温によりケーブルは伸びようとするが、両端が固定されているので、フォーマがヘリカル変形することによって応力を低減しようとする。但し、数十ｃｍ程度であれば、ケーブルが伸びてきたときに一方の固定を外して伸ばしても良い。昇温完了後にケーブルの状態をＸ線写真で確認する。

６．伸びた長さの数十ｃｍは端末クライオスタットを移動式にして吸収する。

なお、上記の特許文献、非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

１ 銅ワイヤ素線
２ 銅ワイヤ
３ 形状記憶合金ワイヤ素線
４ 形状記憶合金ワイヤ
１０ 断熱２重管外管
１１ 断熱２重管内管
１３ 真空層
１４ 冷媒の流れ
１５ 固定部
１６ 冷媒導入口
１８ 超伝導テープ線材
１９ ガイド（ガイド金具）

Claims (19)

1. フォーマと、前記フォーマの外層に絶縁層を介して巻かれ冷却時に超伝導となる超伝導線材とを含み、常温時には、ケーブルがその長手方向に沿って旋回するヘリカル状、冷却時には、ケーブルが直線状の形状となる超伝導ケーブルであって、
   前記フォーマに含まれる銅素線の加工歪みによって、常温では前記ヘリカル状になるように前記フォーマが形成されている超伝導ケーブル。
2. 前記フォーマは、前記銅素線からなるワイヤを含み、複数の前記ワイヤを撚り合わせてなる請求項１記載の超伝導ケーブル。
3. フォーマと、前記フォーマの外層に絶縁層を介して巻かれ冷却時に超伝導となる超伝導線材とを含み、常温時には、ケーブルがその長手方向に沿って旋回するヘリカル状、冷却時には、ケーブルが直線状の形状となる超伝導ケーブルであって、
   前記フォーマは、銅素線からなるワイヤを含み、複数の前記ワイヤを撚り合わせてなり、前記銅素線の加工歪みによって、常温では前記ヘリカル状になるように前記フォーマが形成されている、超伝導ケーブル。
4. フォーマと、前記フォーマの外層に絶縁層を介して巻かれ冷却時に超伝導となる超伝導線材とを含み、常温時には、前記フォーマの残留応力によりケーブルがその長手方向に沿って旋回するヘリカル状、冷却時には、ケーブルが直線状の形状となる超伝導ケーブルであって、
   前記フォーマは、冷却時には、前記超伝導ケーブルの両端の引っ張りと、部材の長手方向の熱収縮により、ケーブルを直線状の形状とする部材を備えた超伝導ケーブル。
5. 前記部材は、弾性部材、又は形状記憶合金のワイヤを備えた請求項４記載の超伝導ケーブル。
6. 前記弾性部材が、銅ワイヤとともに前記超伝導ケーブルの長手方向に延伸されてなるバネからなる請求項５記載の超伝導ケーブル。
7. 前記超伝導線材を複数層備え、前記複数層の超伝導線材の撚り方向は同じ方向とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超伝導ケーブル。
8. 前記超伝導線材は、高温超伝導（ＨＴＳ）テープ線材を含む請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超伝導ケーブル。
9. 両端はクライオスタットに接続される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超伝導ケーブル。
10. 断熱２重管の内管に挿入され、長手方向中心部が前記断熱２重管の内管に固定される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超伝導ケーブル。
11. フォーマと、前記フォーマの外層に絶縁層を介して巻かれ冷却時に超伝導となる超伝導線材とを含み、常温時には、前記フォーマの残留応力によりケーブルがその長手方向に沿って旋回するヘリカル状、冷却時には、ケーブルが直線状の形状となる超伝導ケーブルを設置するにあたり、
    常温で直線状の超伝導ケーブルを断熱２重管内管に挿入して前記超伝導ケーブルの長手方向中心部を断熱２重管の内管に固定し、
    前記断熱２重管内管に冷媒を導入し、前記超伝導ケーブルを熱収縮させたのちに、常温として、前記超伝導ケーブルがヘリカル形状に変形し、
    常温でヘリカル形状に変形したのち前記超伝導ケーブルの両端にクライオスタットを取り付ける、超伝導ケーブル設置方法。
12. 前記断熱２重管の内管は外管に固定され、外管は、前記断熱２重管の支持部材に固定されている、請求項１１記載の超伝導ケーブル設置方法。
13. 前記フォーマがフォーマ素線を複数層となるように巻線で形成し、外側２層以上の前記フォーマ素線の巻線方向を同じ方向としてなる請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の超伝導ケーブル。
14. フォーマと、前記フォーマの外層に絶縁層を介して巻かれ冷却時に超伝導となる超伝導線材とを含み、常温時には、前記フォーマの残留応力によりケーブルがその長手方向に沿って旋回するヘリカル状、冷却時には、ケーブルが直線状の形状となる超伝導ケーブルであって、
    前記超伝導線材を複数層備え、ケーブルがヘリカル変形する方向と、前記複数層の超伝導線材の巻線方向を同じ方向としてなる超伝導ケーブル。
15. フォーマと、前記フォーマの外層に絶縁層を介して巻かれ冷却時に超伝導となる超伝導テープ線材とを含み、常温時には、前記フォーマの残留応力によりケーブルがその長手方向に沿って旋回するヘリカル状、冷却時には、ケーブルが直線状の形状となる超伝導ケーブルであって、
    ケーブルがヘリカル変形する方向と前記超伝導テープ線材の巻線方向を同じ方向としてなる超伝導ケーブル。
16. 前記フォーマがフォーマ素線を複数層となるように巻線で形成し、外側２層以上の前記フォーマ素線の巻線方向を、同じ方向としてなる請求項１５記載の超伝導ケーブル。
17. 少なくとも２段構成の複数の超伝導テープ線材を備え、前記複数の超伝導テープ線材は互いに平行に延長され、前記超伝導テープ線材の長手方向に直交する方向に関して、少なくとも一方の段は、他方の段の相隣る前記超伝導テープ線材の間隙を跨ぐように配置された前記超伝導テープ線材を備えている、請求項１５又は１６に記載の超伝導ケーブル。
18. 前記長手方向に直交する断面が、所定幅の溝部の両側の縁にそれぞれの一端で接し、他端が、前記超伝導テープ線材の幅に対応した間隔離間して相対する第１、第２の側壁の底部にそれぞれ接する第１、第２の拡延部を有するガイドを備え、
    １段目の相隣る超伝導テープ線材の間隙に、前記ガイドの溝部が配置され、
    前記ガイドの前記第１、第２の側壁の間の前記第１、第２の拡延部に、２段目の超伝導テープ線材が載置される請求項１７記載の超伝導ケーブル。
19. フォーマと、前記フォーマの外層に絶縁層を介して巻かれ冷却時に超伝導となる超伝導線材とを含み、常温時には、前記フォーマの残留応力によりケーブルがその長手方向に沿って旋回するヘリカル状、冷却時には、ケーブルが直線状の形状となる超伝導ケーブルの設置にあたり、
    断熱２重管を真空排気し前記超伝導ケーブルを引き込み、
    前記断熱２重管に前記超伝導ケーブルの一側を固定し、他側は固定せず、
    前記断熱２重管に液体窒素を導入し、
    前記超伝導ケーブルの非固定端を、前記断熱２重管に固定し、
    昇温を開始し、
    常温に戻りヘリカル状になった後に前記超伝導ケーブルの端部に移動式端末クライオスタットを取り付け、前記超伝導ケーブルの伸びは前記移動式端末クライオスタットで吸収する、超伝導ケーブル設置方法。

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