JP2014192114A - 超電導ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】１ｋＨｚ以上の高周波送電を行なうことができる超電導ケーブルを提供する。
【解決手段】フォーマと、フォーマの外周に薄膜超電導線材１２０を巻回してなる超電導導体層と、超電導導体層の外周に形成される電気絶縁層と、薄膜超電導線材１２０を電気絶縁層上に巻回してなるシールド層と、を備え、１ｋＨｚ以上の高周波送電に利用され、かつβ≦１０×αとなる超電導ケーブルである。ここで、上記α（単位は、Ｗ／ｍ）は、条件Ｉ（周波数＝１０ｋＨｚ、通電電流の実効値＝２ｋＡｒｍｓ）の高周波送電における超電導導体層に含まれる超電導相１２３の交流損失と、シールド層に含まれる超電導相１２３の交流損失の合計である。また、上記β（単位は、Ｗ／ｍ）は、上記条件Ｉの高周波送電における超電導導体層に含まれる線材保護層１２５の渦電流損失と、シールド層に含まれる線材保護層１２５の渦電流損失の合計である。
【選択図】図２

Description

本発明は、１ｋＨｚ以上の高周波送電に利用される超電導ケーブルに関するものである。

鋼の改質（例えば、高周波熱練）などに、１ｋＨｚ（１０００Ｈｚ）以上の高周波の電力が用いられることがある。例えば、特許文献１には、鋼の熱間鍛造にあたり、３ｋＨｚの周波数、４４３ｋＷ（４４３０００Ｗ）の電力、６６７Ｖの電圧で高周波誘導加熱装置を用いる技術が開示されている。このような高周波誘導加熱装置を使用する場合、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用周波数の電力を工場内の変換設備で１ｋＨｚ以上の高周波の電力に変換し、その高周波の電力を常電導ブスバーなどで高周波誘導加熱装置に送電している。

特開２００３−１３８３１５号公報

高周波・大電流での送電には、常電導ブスバーの交流抵抗が大きくなり、送電ロスが非常に大きくなるという問題がある。この送電ロスを低減するためには、常電導ブスバーを非常に大きくしなければならない。特に、動作させる装置によっては、周波数が１ｋＨｚ以上、通電電流の実効値が１ｋＡｒｍｓ（ｒｍｓ；ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｖａｌｕｅ）以上の高周波・大電流の電力が使用されることもある。そのため、工場内における短距離であっても送電ロスが無視できない。ここで、常電導ブスバーよりも送電ロスが少ないとされる超電導ケーブルが知られており、その超電導ケーブルを高周波・大電流での送電に利用することで上記送電ロスを低減できることが期待される。しかし、実際に１ｋＨｚ以上の高周波での送電に超電導ケーブルを適用することが検討されたことはない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、１ｋＨｚ以上の高周波送電を行なうことができる超電導ケーブルを提供することにある。

超電導ケーブルは、５０〜６０Ｈｚの商用周波数での長距離送電における送電ロスを如何にカットするかということに主眼を置いて開発された経緯がある。そのため、高周波での短距離送電に超電導ケーブルを適用するという発想がなく、また適用に際して何が問題となるかも検討されていなかった。そこで、本発明者が超電導ケーブルを用いた１ｋＨｚ以上の高周波送電をシミュレートしたところ、超電導ケーブルの送電ロスの方が常電導ブスバーの送電ロスよりも大きくなる場合があることが判った。そして本発明者はその原因として、超電導ケーブルの超電導導体およびシールド層に用いられる超電導線材に含まれる常電導部分に生じる渦電流損失が問題であることを見出した。超電導線材としては、Ａｇなどの安定化材中に超電導相のフィラメントが埋設された超電導線材（以下、フィラメント型超電導線材）と、基材上に超電導相とＡｇなどの安定化層とを成膜した超電導線材（以下、薄膜超電導線材）と、が挙げられる。安定化材（安定化層）は、超電導相が超電導状態を維持できなくなったときに電流の迂回路となるものであり、通常、良導電性であることが求められる。しかし、高周波送電においては、安定化層が良導電性であることが逆に渦電流損失の増大を助長することが判った。

発明者は次に、渦電流損失を低減できる余地があるか否かという観点からフィラメント型超電導線材と薄膜超電導線材の構成を再検討した。フィラメント型超電導線材は、主としてチューブインパウダー法と呼ばれる方法で作製されている。当該方法では、超電導相となる粉末を内部に充填したＡｇ製パイプを複数本用意し、それらを大径のＡｇ製パイプ内に配置して延伸・熱処理することでフィラメント型超電導線材を作製している。つまり、フィラメント型超電導線材では、超電導相のフィラメント以外の部分はＡｇで構成されることになるため、フィラメント型には渦電流損失を低減できる余地がない。一方、薄膜超電導線材は、基材上に薄膜の超電導相とＡｇの安定化層を積層し、その外周を線材保護層で覆っている。線材保護層は、超電導相を保護すると共に、事故電流のバイパス層としての役割を持つことが期待されているため、通常、良導電性の材料で構成されている。しかし、本発明者の検討の結果、工場内での高周波・大電流送電においては過大な事故電流が流れることがないため、線材保護層にバイパス層としての役割を積極的に持たせる必要はないことが判った。以上の知見に基づいて本発明を以下に規定する。

本発明の超電導ケーブルは、フォーマと、フォーマの外周に下記構成を備える薄膜超電導線材を巻回してなる超電導導体層と、超電導導体層の外周に形成される電気絶縁層と、下記構成を備える薄膜超電導線材を電気絶縁層上に巻回してなるシールド層と、を備え、１ｋＨｚ以上の高周波送電に利用され、かつβ≦１０×αとなる超電導ケーブルである。
『薄膜超電導線材』…基材、酸化物の超電導相、及び常電導の安定化層の積層体と、この積層体の外周を前記安定化層よりも低導電性の材料で覆う線材保護層と、を備える薄膜超電導線材。
『α』…下記条件Ｉの高周波送電における超電導導体層に含まれる超電導相の交流損失と、シールド層に含まれる超電導相の交流損失の合計（単位は、Ｗ／ｍ）。
『β』…下記条件Ｉの高周波送電における超電導導体層に含まれる線材保護層の渦電流損失と、シールド層に含まれる線材保護層の渦電流損失の合計（単位は、Ｗ／ｍ）。
『条件Ｉ』…周波数１０ｋＨｚ（１０×１０^３Ｈｚ）、通電電流の実効値２ｋＡｒｍｓ（２×１０^３Ａｒｍｓ）。

上記本発明の超電導ケーブルによれば、常電導ブスバーよりも少ない送電ロスで１ｋＨｚ以上の高周波送電を行なうことができる。

実施形態１に係る超電導ケーブルの概略構成を示す斜視図である。 薄膜超電導線材の概略構成を示す断面図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１）本発明の実施形態の超電導ケーブルは、フォーマと、フォーマの外周に下記構成を備える薄膜超電導線材を巻回してなる超電導導体層と、超電導導体層の外周に形成される電気絶縁層と、下記構成を備える薄膜超電導線材を電気絶縁層上に巻回してなるシールド層と、を備え、１ｋＨｚ以上の高周波送電に利用され、かつβ≦１０×αとなる超電導ケーブルである。
『薄膜超電導線材』…基材、酸化物の超電導相、及び常電導の安定化層の積層体と、この積層体の外周を前記安定化層よりも低導電性の材料で覆う線材保護層と、を備える薄膜超電導線材。
『α』…下記条件Ｉの高周波送電における超電導導体層に含まれる超電導相の交流損失と、シールド層に含まれる超電導相の交流損失の合計（単位は、Ｗ／ｍ）。
『β』…下記条件Ｉの高周波送電における超電導導体層に含まれる線材保護層の渦電流損失と、シールド層に含まれる線材保護層の渦電流損失の合計（単位は、Ｗ／ｍ）。
『条件Ｉ』…周波数１０ｋＨｚ（１０×１０^３Ｈｚ）、通電電流の実効値２ｋＡｒｍｓ（２×１０^３Ａｒｍｓ）。

上記条件Ｉの高周波・大電流送電を行なったときの渦電流損失βが交流損失αの１０００％以下であれば、その超電導ケーブルの送電ロスは、同じ送電条件下の常電導ブスバーの送電ロスに比べて十分に小さい。渦電流損失βは、より好ましくは交流損失αの１００％以下、さらに好ましくは１０％以下、最も好ましくは１％以下である。

（２）本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、β≦０．１×αとなる形態を挙げることができる。

上記条件Ｉの高周波送電を行なったときの渦電流損失βが交流損失αの１０％以下であれば、その超電導ケーブルの送電ロスが、同じ送電条件下の常電導ブスバーの送電ロスに比べて極めて小さいと言える。既に述べたように、渦電流損失βが交流損失αの１％以下であることが最も好ましい。

（３）本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、薄膜超電導線材に備わる線材保護層の厚さが２０μｍ以下である形態を挙げることができる。

線材保護層の厚さが２０μｍ以下であれば、線材保護層に渦電流が流れ難くなるため、線材保護層における渦電流損失を低減することができる。

（４）本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、超電導相を超電導状態に維持する冷媒温度における線材保護層の導電率が１００ＭＳ／ｍ（１００×１０^６Ｓ／ｍ）以下である形態を挙げることができる。

線材保護層の導電率が１００ＭＳ／ｍ以下であれば、線材保護層に渦電流が流れ難くなるため、線材保護層における渦電流損失を低減することができる。例えば、超電導ケーブルの冷媒として代表的な液体窒素の温度（約７７Ｋ）におけるステンレスの導電率は、約２ＭＳ／ｍである。なお、液体窒素の温度におけるＣｕの導電率は、約５００ＭＳ／ｍである。

（５）本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、薄膜超電導線材に備わる基材の厚さが１００μｍ以下である形態を挙げることができる。

基材の厚さが１００μｍ以下であれば、基材に磁場が作用したときの基材における渦電流損失を低減することができる。

（６）本発明の実施形態の超電導ケーブルとして、超電導導体層を構成する薄膜超電導線材は、基材側の面を超電導ケーブルの径方向内方に向けた状態でフォーマ上に巻回されており、シールド層を構成する薄膜超電導線材は、基材側の面を超電導ケーブルの径方向外方に向けた状態で電気絶縁層上に巻回されている形態を挙げることができる。

超電導導体層と、その超電導導体よりも超電導ケーブルの径方向外方に位置するシールド層と、を備える超電導ケーブルでは、超電導導体層の超電導相とシールド層の超電導相との間に磁場が形成される。そのため、超電導導体層を構成する薄膜超電導線材の基材を超電導ケーブルの径方向内方に向けた状態としておくことで、当該基材に磁場が作用することを回避でき、基材における渦電流損失の発生を抑制することができる。同様に、シールド層を構成する薄膜超電導線材の基材を超電導ケーブルの径方向外方に向けた状態としておくことで、当該基材に磁場が作用することを回避でき、基材における渦電流損失の発生を抑制することができる。

なお、超電導導体層が薄膜超電導線材を多層に巻回して構成される場合、最内層（一層目）の薄膜超電導線材の基材に磁場は作用しないが、最内層よりも外側の薄膜超電導線材の基材には磁場が作用する。同様に、シールド層が薄膜超電導線材を多層に巻回して構成される場合、最外層の薄膜超電導線材の基板に磁場は作用しないが、最外層よりも内側の薄膜超電導線材の基材には磁場が作用する。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの具体例を図面に基づいて説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。

＜実施形態１＞
≪全体構成≫
図１に示す本実施形態の超電導ケーブル１は、工場内といったごく短距離（例えば、１００ｍ以下）を、１ｋＨｚ以上の高周波で送電する際に用いられるものである。本例に示す超電導ケーブル１は、複数心（ここでは三心）のケーブルコア１０が撚り合わされて一つの断熱管２０に収納された超電導ケーブル、いわゆる多心一括型の超電導ケーブルである。もちろん、超電導ケーブル１のケーブルコア１０は、単心、二心、四心以上であっても構わない。この超電導ケーブル１の特徴とするところは、ケーブルコア１０に含まれる超電導導体層１２およびシールド層１４が共に、薄膜超電導線材１２０で構成されており、１ｋＨｚ以上の高周波送電に利用可能なことである。以下、各構成をより詳細に説明する。

≪断熱管≫
断熱管２０は、内管２１と外管２２とからなる二重構造管であり、内管２１と外管２２との間が真空引きされた真空断熱構造である。内管２１内には、液体窒素といった冷媒が充填され、この冷媒によりケーブルコア１０が冷却されて、超電導状態に維持される。内管２１と外管２２との間には、スーパーインシュレーションといった断熱材２３や、両管２１，２２の間隔を保持するスペーサ（図示せず）が配置される。外管２２の外周には、ポリ塩化ビニルといった耐食性に優れる材料でできた防食層２４が形成されている。

≪ケーブルコア≫
各ケーブルコア１０は、中心から順にフォーマ１１、超電導導体層１２、電気絶縁層１３、シールド層１４、コア保護層１５を備える。

（フォーマ）
フォーマ１１は、超電導導体層１２の支持体として機能する他、超電導ケーブル１では、短絡や地絡などの異常時に生じる大きな電流を分流するための流路に利用される。フォーマ１１には、銅やアルミニウムなどの常電導材料で形成された中実体や中空体（管体）を利用することができる。ここで、図１に示されるフォーマ１１は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やエナメルなどの絶縁被覆を備える銅線を複数本撚り合わせて構成された中実体としている。撚り線構造であることで、曲げ特性に優れ、超電導ケーブル１を交流送電に利用する場合、渦電流損を低減できる。

上記フォーマ１１の外周にクッション層を設けてもよい。クッション層は、例えば、クラフト紙といった絶縁紙や、クラフト紙とプラスチックとを複合した半合成絶縁紙（例えば、ＰＰＬＰ（住友電気工業株式会社 登録商標））からなる絶縁性テープの巻回により形成できる。クッション層を備えることで、超電導導体層１２を形成し易い上に、フォーマ１１を構成する銅線による超電導導体層１２の損傷を防止できる。

（超電導導体層、シールド層）
超電導導体層１２及びシールド層１４は、薄膜超電導線材１２０を単層又は多層に螺旋状に巻回することで構成される。図１に示す超電導導体層１２及びシールド層１４はいずれも、薄膜超電導線材１２０を螺旋状に巻回して形成された超電導線材層が多層に積層された多層構造となっている（超電導導体層１２：４層、シールド層１４：３層）。各超電導線材層の層間には、クラフト紙などの絶縁紙を巻回した層間絶縁層１２０ｉが形成されている。超電導導体層１２及びシールド層１４のいずれも、薄膜超電導線材１２０からなる部分に加えて層間絶縁層１２０ｉを含むことを許容する。

超電導導体層１２を構成する超電導線材の数や超電導線材層の数は、所望の設定電流値（電流容量）に応じて選択できる。また、シールド層１４を構成する超電導線材の数や超電導線材層の数は、上記超電導導体層１２に応じて適宜選択できる。

〔薄膜超電導線材〕
超電導導体層１２とシールド層１４に用いられる薄膜超電導線材１２０は、図２に示すように、基材１２１、中間層１２２、超電導相１２３、安定化層１２４、および線材保護層１２５を備える。

まず、薄膜超電導線材１２０の導電路となる超電導相１２３は、例えば冷媒として液体窒素を使用可能な酸化物の高温超電導体である。具体的には、Ｙ，Ｈｏ（ホルミウム），Ｇｄ（ガドリニウム）といった希土類元素を含むＲＥ系酸化物を超電導相１２３に利用可能である。ＲＥ系酸化物超電導相は、ＲＥ１２３とよばれる（ＲＥ）Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘが代表的であり、具体的な組成は、ＹＢＣＯ，ＨｏＢＣＯ，ＧｄＢＣＯが挙げられる。その他、Ｂｉ２２２３といったＢｉ（ビスマス）を含む酸化物を超電導層１２３に利用することもできる。

超電導相１２３の厚さは、超電導ケーブル１に要求される電流容量に応じて適宜選択することができる。例えば、超電導相１２３の厚さを１μｍ以上とすることが挙げられる。一方、超電導相１２３は脆いため、あまり超電導相１２３を厚くすると、超電導相１２３に割れが生じる場合がある。そこで、超電導相１２３の厚さは、５μｍ以下とすることが好ましい。

基材１２１は、金属材料からなるものが代表的である。例えば、磁性材料、とりわけ強磁性体からなる磁性基材を利用することができる。磁性基材は、後述するＲＥ系酸化物超電導相の配向性に優れ、当該超電導相を成膜し易く、薄膜超電導線材の製造性に優れる。強磁性体は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、Ｎｉ−Ｗ合金といったニッケル合金、珪素鋼、パーマロイ、フェライト、強磁性ステンレス（例えば、ＳＵＳ４３０）といった鉄含有物などが挙げられる。その他、基材１２１の構成材料には、ハステロイ（登録商標）といった非磁性材料を利用することもできる。非磁性材料は、基材１２１における渦電流の発生を抑制することができるため、好ましい。

基材１２１の厚さは、５０μｍ〜１００μｍとすることが好ましい。基材１２１の厚さを５０μｍ以上とすることで、薄膜超電導線材１２０の強度を確保することができる。また、基材の厚さを１００μｍ以下とすることで、基材１２１における渦電流損失を低減することができる。渦電流損失の低減の観点から、基材１２１の厚さは、１００μｍ以下が好ましい。

中間層１２２は、基材１２１上に超電導相１２３を成膜する際、超電導相１２３の結晶配向性を調整するための層である。また、基材１２１に含まれる元素が超電導相１２３に拡散し、超電導相１２３が劣化することを防止するための層でもある。この中間層１２２の材質としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＭｇＯ、あるいはＣｅＯ_２といった酸化物からなる絶縁体を用いることができる。中間層１２２は多層構造となっていても良く、例えば、ＣｅＯ_２−ＹＳＺ−ＣｅＯ_２からなる三層構造の中間層１２２とすることが挙げられる。

中間層１２２の厚さは、１０〜２０００ｎｍとすることが好ましい。中間層１２２を多層構造とする場合、各層の厚さは１〜１０００ｎｍとし、全層の合計厚さが５０〜２０００ｎｍとなるようにすると良い。

安定化層１２４は、超電導相１２３が他の部材と反応して超電導特性を示さなくなることを防ぐための層である。この安定化層１２４の材質としては、例えばＡｇ、Ｐｔ、Ａｕ、あるいはそれらの合金を挙げることができる。コストに鑑み、安定化層１２４はＡｇで構成することが好ましい。

図２に例示する安定化層１２４は、基材１２１・中間層１２２・超電導相１２３の積層体の外周全体を覆っている。安定化層１２４の役割を考慮すれば、安定化層１２４は、少なくとも超電導相１２３の上面（紙面上側の面）に形成されていれば良い。

安定化層１２４の厚さは、１μｍ〜２０μｍとすることが好ましい。安定化層１２４の厚さを１μｍ以上とすることで、安定化層１２４に超電導相１２３を安定化する機能を十分に持たせることができる。一方、安定化層１２４の厚さを２０μｍ以下とすることで、安定化層１２４における渦電流損失の量を低く抑えることができる。

線材保護層１２５は、線材保護層１２５よりも内側に配置される構成、特に超電導相１を保護する機能を持った層である。ここで、商用周波数で使用される従来の超電導ケーブルに用いられる薄膜超電導線材の線材保護層には、超電導相を保護する機能に加え、事故電流が流れた際のバイパス層としての機能を持たせるという技術思想がある。これに対して高周波で使用される本発明の超電導ケーブル１では、線材保護層１２５に事故電流のバイパス層としての機能を積極的に求めない構成、即ち線材保護層１２５に渦電流が流れ難い構成を採用する。そうすることで、線材保護層１２５における渦電流損失を低減し、超電導ケーブル１の送電ロスを低減する。

線材保護層１２５に渦電流が流れ難くするには、上述した安定化層１２４よりも低導電性の材質で線材保護層１２５を構成すれば良い。例えば、ガラス繊維などの非導電材、ステンレスや、Ｃｕ−Ｎｉ合金などの低導電材が線材保護層１２５として好適である。また、線材保護層１２５に渦電流が流れ難くするには、線材保護層１２５を薄くすることも有効である。

線材保護層１２５は、その材質がメッキ可能なもの（例えば、Ｃｕ−Ｎｉ合金など）であればメッキを用いて形成することが好ましい。ステンレスやガラス繊維などのメッキに不向きな材質で線材保護層１２５を形成する場合、その材質からなるテープ材を積層体（基材１２１・中間層１２２・超電導相１２３）の外周に貼り付けることで、線材保護層１２５を形成すれば良い。なお、貼り付けには半田を用いることができる。

線材保護層１２５の導電性は、５００ＭＳ／ｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは２００ＭＳ／ｍ以下、１００ＭＳ／ｍ以下、１０ＭＳ／ｍ以下、５ＭＳ／ｍ以下である。一方、線材保護層１２５の厚さは、１００μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは５０μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下である。なお、線材保護層１２５で超電導相１２３を確実に保護するために、線材保護層１２５の厚さは１μｍ以上とすることが好ましい。

上記範囲で線材保護層１２５の導電率を高めに設定するのであれば、線材保護層１２５の厚さを薄くすることで、線材保護層１２５における渦電流損失を低く抑えることができる。また、上記範囲で線材保護層１２５の導電率を低めに設定するのであれば、超電導相１２３を保護する機能を向上させるために線材保護層１２５の厚さを厚くしても、線材保護層１２５における渦電流損失が大きくなり難い。

（電気絶縁層）
電気絶縁層１３は、上記超電導導体層１２の上に、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙などの絶縁性テープを巻回することで形成される。超電導導体層１２の直上に、カーボン紙や金属化紙などを巻回して内側半導電層を設けたり、上記絶縁性テープの巻回層の直上に、カーボン紙や金属化紙などを巻回して外側半導電層を設けたりすることができる。電気絶縁層１３は、上記半導電層を備える形態とすることができる。

（コア保護層）
コア保護層１５は、シールド層１４の外周に設けられ、シールド層１４を機械的に保護する層である。コア保護層１５は、上述したクラフト紙や半合成絶縁紙、布テープなどの絶縁性テープを巻回することで形成することができる。

≪シミュレーション例≫
超電導ケーブル１を用いて、１ｋＨｚ以上の高周波送電を行なったときの超電導相１２３の交流損失と線材保護層１２５の渦電流損失をシミュレーションにより求めた。このシミュレーションの対象とした超電導ケーブル１の仕様を表１に示す。

表１に示す超電導ケーブル１では、超電導導体層１２およびシールド層１４の積層数はそれぞれ一層としている。超電導導体層１２を構成する薄膜超電導線材１２０はその基材１２１側の面を径方向内方（フォーマ１１）側に向けた状態で巻回され、シールド層１４を構成する薄膜超電導線材１２０はその基材１２１側の面を径方向外方に向けた状態で巻回されているものとする。

また、超電導線材１２０の線材保護層１２５の導電率は１０００ＭＳ／ｍとする。この導電率は、液体窒素の温度（約７７Ｋ）におけるＡｇの導電率（約５００ＭＳ／ｍ）を上回る値である。

さらに、薄膜超電導線材１２０の線材保護層１２５の厚さは１００μｍとする。表１に示す薄膜超電導線材１２０の幅および厚さはそれぞれ、２．２ｍｍおよび０．３３ｍｍであるから、線材保護層１２５を除く部分（基材１２１、中間層１２２、超電導相１２３、および安定化層１２４からなる積層体）の幅および厚さはそれぞれ、２．０ｍｍおよび０．１３ｍｍである。

このシミュレーションでは、周波数ｆを１０ｋＨｚ（１００００Ｈｚ）、角速度ωを６２８３２ｒａｄ／ｓ、通電電流の実効値Ｉｏｐは２０００Ａ（通電電流のピーク値Ｉｐは２８２８Ａ）の高周波電流を通電した場合を想定した。そして、この通電条件から超電導導体層１２およびシールド層１４に作用する磁場の強さを算出し、その算出結果を含む情報に基づいて超電導導体層１２における超電導相１２３の交流損失とシールド層１４における超電導相１２３の交流損失を求めた。その結果、超電導導体層１２における超電導相１２３の交流損失は１．２７Ｗ／ｍ、シールド層１４における超電導層１２３の交流損失は１．１９Ｗ／ｍであった。つまり、超電導ケーブル１に含まれる超電導相１２３全体の交流損失（αＷ／ｍ）は２．４６Ｗ／ｍであった。

さらに、磁場の強さなどの情報に基づいて超電導導体層１２における線材保護層１２５の渦電流損失と、シールド層１４における線材保護層１２５の渦電流損失を求めたところ、前者が２４．５１Ｗ／ｍ、後者が２３．６４Ｗ／ｍであった。つまり、超電導ケーブル１に含まれる線材保護層１２５全体の渦電流損失（βＷ／ｍ）は４８．１５Ｗ／ｍであった。

以上の結果から、１ｋＨｚ以上の高周波送電において、薄膜超電導線材１２０の線材保護層１２５の導電率が、安定化層１２４の導電率（Ａｇの導電率）を上回っていた場合には、線材保護層１２５全体の渦電流損失（βＷ／ｍ＝４８．１５Ｗ／ｍ）が超電導相１２３の交流損失（αＷ／ｍ＝２．４６Ｗ／ｍ）の１０倍超（約１９．５倍）となること、即ちβ＞１０×αとなることが判った。この場合の超電導ケーブル１の送電ロスは、冷却システムの効率を０.０６とすると、超電導ケーブル１と同一規模の高周波送電を行なう常電導ブスバーの送電ロスよりも大きい。因みに、交流損失と渦電流損失の和が約３５Ｗ／ｍのときの超電導ケーブル１の送電ロスが、同一規模の常電導ブスバーの送電ロスとほぼ同等となる。

以上の結果を受け、線材保護層１２５の導電率と厚さを変化させたときの超電導ケーブル１に含まれる超電導相１２３全体の交流損失と、超電導ケーブル１に含まれる線材保護層１２５全体の渦電流損失を算出した。交流損失を表２に、渦電流損失を表３に示す。

表２，３の結果から、線材保護層１２５の導電率を低く抑えること、および線材保護層１２５の厚さを薄くすることは共に、線材保護層１２５における渦電流損失の低減に寄与することが判った。なお、表２において線材保護層１２５の厚さを薄くするほど交流損失が低下するのは、線材保護層１２５の厚さの分だけ薄膜超電導線材１２０の幅および厚みが変化するためである。また、表３の『０．００』は、『０．００５』未満の小さな値であり、『０』ではない。

これら導電率と厚さを相互に規定すれば、超電導ケーブル１に含まれる線材保護層１２５の渦電流損失を、超電導ケーブル１に含まれる超電導相１２３の交流損失の１／１０以下にすることもできる。具体的には、線材保護層１２５の導電率をγＭＳ／ｍ、線材保護層１２５の厚さをδμｍとしたとき、以下の関係を満たす場合、線材保護層１２５の渦電流損失（βＷ／ｍ；表３参照）が、超電導相１２３の交流損失（αＷ／ｍ；表２参照）の１／１０以下となること、即ちβ≦０．１×αとなることが判った。このような超電導ケーブル１の送電ロスは、同一規模の高周波送電を行なう常電導ブスバーの送電ロスに比べて極めて小さい。
γが５００ＭＳ／ｍ以下の場合、δは１０μｍ以下
γが１００ＭＳ／ｍ以下の場合、δは２０μｍ以下
γが５０ＭＳ／ｍ以下の場合、δは３０μｍ以下
γが２０ＭＳ／ｍ以下の場合、δは５０μｍ以下
γが１０ＭＳ／ｍ以下の場合、δは７０μｍ以下
γが５ＭＳ／ｍ以下の場合、δは９０μｍ以下
γが２ＭＳ／ｍ以下の場合、δは１００μｍ以下

上記線材保護層１２５の導電率と厚さの関係に基づいて、線材保護層１２５の渦電流損失（βＷ／ｍ）を、超電導相１２３の交流損失（αＷ／ｍ）の１／１０以下とすることができる線材保護層１２５の導電率と厚さの関係を数式で表すと下記の式（１）、あるいは式（２）に示すようになる。この数式を満たす線材保護層１２５であれば、送電ロスが極めて少ない超電導ケーブル１とすることができる。
式（１）…Ｙ≦１８５×Ｘ^{−０．３９}
式（２）…Ｙ≦２０９×Ｘ^{−０．５２}
；Ｘ＝線材保護層の導電率（ＭＳ／ｍ）、Ｙ＝線材保護層の厚さ（μｍ）

なお、式（１）は、次のようにして求めた。まず、線材保護層１２５の導電率（ＭＳ／ｍ）を横軸とし、線材保護層１２５の厚さ（μｍ）を縦軸とし、表２，３を参照して、β＞０．１×αとなる線材保護層１２５の最小厚さをグラフ上にプロットした。そして、そのプロットの近似線をコンピュータにより求めた。その近似線を式化したものが上記数式（１）である。一方、式（２）は、表２，３を参照して、β≦０．１×αとなる線材保護層１２５の最大厚さの近似線を式化したものである。

本発明の超電導ケーブルは、１ｋＨｚ以上の高周波通電に好適に利用することができる。例えば、本発明の超電導ケーブルは、高周波加熱装置の電源ケーブルとして好適に利用できる。

１ 超電導ケーブル
１０ ケーブルコア １１ フォーマ １２ 超電導導体層 １３ 電気絶縁層
１４ シールド層 １５ コア保護層
２０ 断熱管 ２１ 内管 ２２ 外管 ２３ 断熱材 ２４ 防食層
１２０ 薄膜超電導線材 １２０ｉ 層間絶縁層
１２１ 基材 １２２ 中間層 １２３ 超電導相
１２４ 安定化層 １２５ 線材保護層

Claims (6)

1. フォーマと、
   基材、酸化物の超電導相、及び常電導の安定化層の積層体と、この積層体の外周を前記安定化層よりも低導電性の材料で覆う線材保護層と、を備える薄膜超電導線材を、前記フォーマの外周に巻回してなる超電導導体層と、
   前記超電導導体層の外周に形成される電気絶縁層と、
   前記構成を備える薄膜超電導線材を、前記電気絶縁層上に巻回してなるシールド層と、を備え、
   １ｋＨｚ以上の高周波送電に利用され、かつ
   下記条件Ｉの高周波送電における前記超電導導体層に含まれる前記超電導相の交流損失と、前記シールド層に含まれる前記超電導相の交流損失の合計をαＷ／ｍ、下記条件Ｉの高周波送電における前記超電導導体層に含まれる前記線材保護層の渦電流損失と、前記シールド層に含まれる前記線材保護層の渦電流損失の合計をβＷ／ｍとしたとき、β≦１０×αとなる超電導ケーブル。
   条件Ｉ；周波数＝１０ｋＨｚ、通電電流の実効値＝２ｋＡｒｍｓ。
2. β≦０．１×αとなる請求項１に記載の超電導ケーブル。
3. 前記線材保護層の厚さが２０μｍ以下である請求項１または２に記載の超電導ケーブル。
4. 前記超電導相を超電導状態に維持する冷媒温度における前記線材保護層の導電率が１００ＭＳ／ｍ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
5. 前記基材の厚さが１００μｍ以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
6. 前記超電導導体層を構成する前記薄膜超電導線材は、前記基材側の面を超電導ケーブルの径方向内方に向けた状態で前記フォーマ上に巻回されており、
   前記シールド層を構成する前記薄膜超電導線材は、前記基材側の面を超電導ケーブルの径方向外方に向けた状態で前記電気絶縁層上に巻回されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。

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