JPH0817265A - 超電導ケーブル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、屈曲性に優れており、しかも極低温
冷媒の使用最大圧力を高くできる超電導ケーブルを提供
することを目的とする。 【構成】管状体からなるフォーマー上に超電導層が形成
されてなる超電導導体と、内側断熱管上に断熱層が形成
され、前記超電導導体が内挿される断熱管と、前記断熱
管と前記超電導導体との間に形成された極低温冷媒流路
とを具備し、前記内側断熱管は、合成樹脂製の管状体の
内側および／または外側に金属補強条で構成される層が
形成されてなることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導ケーブルに関し、
特に陸上および海底に敷設できる超電導ケーブルに関す
る。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】超電導ケーブルにおいて
は、送電電流を流すための超電導導体を液体窒素や液体
ヘリウム等の極低温冷媒で冷却して超電導導体を超電導
状態に保持する必要がある。したがって、超電導ケーブ
ルは、図４に示すように、断熱管４１内に超電導導体４
２が内挿されており、断熱管４１と超電導導体４２との
間に極低温冷媒を通流させる流路４３が設けられている
構成を有している。したがって、流路４３は、断熱管４
１により外界から遮断されている。超電導導体４２は、
金属管からなるフォーマー４２ａ上に第１の超電導層４
２ｂ、電気絶縁層４２ｃ、第２の超電導層４２ｄを順次
積層してなるものである。フォーマー４２ａは金属管か
らなるので、フォーマー４２ａ内部も極低温冷媒の流路
４３となる。断熱管４１は、波付け管からなる内側断熱
管４１ａ上に断熱層４１ｂが形成され、その外側に波付
け管からなる外側断熱管４１ｃが被せられ、さらにその
上に防食層４１ｄが形成されてなるものである。

【０００３】流路４３を通流する極低温冷媒である液体
窒素の温度は絶対温度７７Ｋ程度、液体ヘリウムの温度
は絶対温度４．５Ｋ程度である。極低温冷媒は断熱管４
１を介して外界から伝わってくる熱や、第１および第２
の超電導層４２ｂ，４２ｄおよび電気絶縁層４２ｃ等に
おいて僅かではあるが発生する熱によって温度上昇を生
じる。極低温冷媒の温度が高くなると、ある温度で液体
から気体に気化して、極低温冷媒の熱伝導率が極端に低
下し、安定して超電導導体４２を冷却ができなくなる。
このように、極低温冷媒の使用温度には上限があるの
で、通常極低温冷媒を流路４３に一定速度で強制的に流
して、極低温冷媒が使用温度上限を超えないようにして
いる。極低温冷媒を通流させると、この流れに伴って超
電導導体の両端において極低温冷媒の圧力降下が生じ
る。したがって、極低温冷媒を強制的に循環させるため
には、この循環で生じる圧力降下以上の圧力で冷媒供給
手段である冷却ステーションから流路４３内に極低温冷
媒を流入させなければならない。

【０００４】図５に極低温冷媒を強制的に循環させるシ
ステムの一例を示す。このシステムは、図４に示す構成
を有する２本の超電導ケーブル４４と、極低温冷媒を超
電導ケーブルに供給して循環させる２つの冷却ステーシ
ョン４５から構成されており、矢印の方向に極低温冷媒
が流れて循環している。ここで、超電導ケーブル４４の
入口および出口における極低温冷媒の温度をそれぞれＴ
１，Ｔ２、超電導ケーブル４４の両端での極低温冷媒の
温度差を△Ｔとし、超電導ケーブル４４の入口および出
口における極低温冷媒の圧力をそれぞれＰ１，Ｐ２、超
電導ケーブル４４の両端での極低温冷媒の圧力差を△Ｐ
とすると、これらの値には以下の式（１）、式（２）の
ような関係が成立する。

【０００５】 ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１ …式（１） ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２ …式（２） 超電導体材料として、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系を
はじめとするいわゆる高温超電導体材料を用いた場合、
極低温冷媒に液体窒素を使用することが可能である。こ
の場合、上記式（１）、式（２）において、Ｔ１は液体
窒素の０．１ＭＰａにおける凝固点の６３Ｋよりも高い
値に、Ｔ２は使用する高温超電導体の超電導状態が維持
できる上限である臨界温度未満の値に、Ｐ１は内側断熱
管４１ａの常時耐内圧強度を考慮した値に、Ｐ２は上限
使用温度領域（Ｔ１〜Ｔ２の間）で液体窒素がガス化し
ない範囲で低い値に設定される。例えば、Ｔ１＝７０
Ｋ，Ｔ２＝７７Ｋ，Ｐ１＝２．０ＭＰａ，Ｐ２＝０．５
ＭＰａに設定すると、式（１）および式（２）より、Δ
Ｔ＝７Ｋ，ΔＰ＝１．５ＭＰａとなる。

【０００６】ところで、図５において、冷却ステーショ
ン４５の間隔が長くなると、超電導ケーブル４４から除
去すべき熱量、すなわち断熱管を介して外界から流入し
た熱と、超電導ケーブル内部において発生した熱の和が
増大する。除去すべき熱量が増大しても、それに伴って
ΔＴも大きくできれば、極低温冷媒を循環させる流量を
あまり増加させる必要はないが、ΔＴは上記の如く、超
電導ケーブルに使用する極低温冷媒および超電導体材料
の種類によってほぼ決まる値であり、大きく変える余地
はあまりない。したがって、除去すべき熱量の増大に伴
って、極低温冷媒の流量も増大させなければならない。

【０００７】超電導ケーブルのサイズが同じ、より厳密
には極低温冷媒の流路の断面積が同じである場合に極低
温冷媒の流量を増やすと、結果としてΔＰが大きくな
る。すなわち、超電導ケーブルのサイズを大きくするこ
となく、冷却ステーション間隔を長くしようとすると、
必然的にΔＰが増大してしまう。

【０００８】一方、超電導ケーブルの中間に設置できる
冷却ステーションの数は各種の制約を受ける。陸上敷設
の超電導ケーブルでは、一般にコストの高い冷却ステー
ションの数はなるべく減らす傾向にあり、海底敷設の超
電導ケーブルでは中間の海底部に冷却ステーションを設
置することは現状の技術レベルにおいてまったく不可能
である。したがって、ΔＰを増大することが許容されれ
ば、冷却ステーション間隔を増大させることが可能とな
る。ΔＰを増大することは、式（１）および式（２）よ
りＰ１を大きくすることであり、これは内側断熱管の常
時耐内圧強度を向上させる必要があることを意味する。

【０００９】しかしながら、図４に示す従来の超電導ケ
ーブルでは、断熱管４１を構成する内側断熱管４１ａお
よび外側断熱管４１ｃは、ステンレスまたはアルミニウ
ムからなる波付け管である。このため、断熱管４１全体
で屈曲性には優れているが、成形加工において管の肉厚
に制約がある。したがって、その制約により常時耐内圧
強度を自由に向上させることができない。

【００１０】図６は従来の超電導ケーブルの他の例を示
す。図６に示す超電導ケーブルは、断熱管４１の内側断
熱管４１ａおよび外側断熱管４１ｃがそれぞれステンレ
スまたはアルミニウムからなる直管で構成されている。
このような構成によれば、管の肉厚についての制約は受
けないので、図４に示す断熱管を大きく上回る常時耐内
圧強度を得ることができる。しかしながら、図６に示す
断熱管は屈曲性がなく、輸送する上でもドラム巻きする
ことができない。したがって、十数ｍずつ分割して敷設
場所まで輸送し、現地で一連に接続しなければならな
い。したがって、図６に示す超電導ケーブルは海底敷設
することができない。

【００１１】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、屈曲性に優れており、しかも極低温冷媒の使用最
大圧力を高くできる超電導ケーブルを提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、管状体からな
るフォーマー上に超電導層が形成されてなる超電導導体
と、内側断熱管上に断熱層が形成され、前記超電導導体
が内挿される断熱管と、前記断熱管と前記超電導導体と
の間に形成された極低温冷媒流路とを具備し、前記内側
断熱管は、合成樹脂製の管状体の内側および／または外
側に金属補強条で構成される層が形成されてなることを
特徴とする超電導ケーブルを提供する。

【００１３】ここで、フォーマーとしては、ステンレ
ス、アルミニウム等からなる管状体を用いることができ
る。フォーマーは管状体の場合は、超電導ケーブルの使
用時にはフォーマー内部にも極低温冷媒が通流させる。

【００１４】超電導層を構成する超電導体材料として
は、ビスマス系、タリウム系の超電導体等を用いること
ができる。また、超電導層は、ＡｇやＡｇ合金からなる
金属シース内に超電導体材料を充填してなるシーステー
プ等により構成することができる。超電導層を複数形成
した場合、各層間の電気絶縁層は、半合成紙テープの積
層体等により構成することができる。

【００１５】外側断熱管としては、アルミ波付け管等を
用いることができる。断熱層を構成する材料としては、
積層真空断熱材等を用いることができる。断熱管の外側
には、必要に応じてポリ塩化ビニル等からなる防食層を
形成してもよい。また、防食層の外側にクッション層お
よび鉄線鎧層を設けることにより、海底敷設に応用する
ことができる。

【００１６】内側断熱管は、合成樹脂製の管状体の内側
および／または外側に複数の金属補強条で構成される層
が形成されてなるものである。合成樹脂製の管状体に
は、耐内圧強度は低いが極低温冷媒温度においても熱収
縮能力に起因する亀裂が生じることのない材料、例えば
エチレンプロピレンゴム、架橋ポリエチレン等を用いる
ことができる。金属補強条としては、ステンレス、炭素
鋼等からなる平角条や略Ｃ型条、鋼帯、インターロック
管、略Ｓ型条等を用いることができる。また、複数の金
属補強条で構成される層は、例えば、複数の略Ｃ型条を
用い、隣り合う略Ｃ型条を配置する向きを変え、その端
部同士を係合させて繋げて構成することができる。この
金属補強条で構成される層は、複数形成してもよい。

【００１７】

【作用】本発明の超電導ケーブルは、合成樹脂製の管状
体の内側および／または外側に金属補強条で構成される
層が形成されてなる内側断熱管上に断熱層が形成され、
その断熱層上に外側断熱層が包被されてなり、超電導導
体が内挿される断熱管を具備することを特徴としてい
る。

【００１８】内側断熱管が合成樹脂製の管状体の内側お
よび／または外側に金属補強条で構成される層が形成さ
れてなるので、超電導ケーブル全体として屈曲性に優れ
たものとなる。したがって、長尺の超電導ケーブルを製
造した後に連続してドラムに巻き取ることができ、しか
もドラムに巻き取った状態で容易に輸送することができ
る。

【００１９】また、この内側断熱管は、金属補強条で構
成される層が合成樹脂製の管状体に極低温冷媒の内圧に
耐える強度を付与しているので、従来のものよりもはる
かに高い耐内圧強度を有する。このため、超電導ケーブ
ルの入口圧力Ｐ１を高くすることが可能となり、冷却ス
テーション設置間隔を広げることができる。

【００２０】さらに、複数の金属補強条で構成される層
自体では、極低温冷媒が外部に漏れてしまうが、合成樹
脂製の管状体があるために、内側断熱管としては、極低
温冷媒を外部に漏らすことはない。

【００２１】このように、合成樹脂製の管状体と複数の
金属補強条で構成される層との相互関係により、高い耐
内圧強度および優れた屈曲性を発揮させることができ
る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。

【００２３】（実施例１）図１は本発明の超電導ケーブ
ルの一実施例を示す断面図である。図中１は超電導導体
を示す。超電導導体は、銅製のフォーマー１１上に第１
の超電導層１２、電気絶縁層１３、および第２の超電導
層１４が順次積層されて構成されている。第１および第
２の超電導層１２，１４は、Ａｇシース内にＢｉ_1.6 Ｐ
ｂ_0.4 Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_x の組成を持つ酸化物超電
導体が充填されたシーステープで構成されている。電気
絶縁層１３は半合成紙テープの積層体で構成されてい
る。

【００２４】図中２は断熱管を示す。断熱管２は、内側
断熱管２１と、その外側に設けられた断熱層２２と、そ
れを包被する外側断熱管２３と、その外側に設けられた
防食層２４とから構成されている。内側断熱管２１は、
図２および図３に示すように、厚さ５mmのエチレンプロ
ピレンゴム管３１と、その内側および外側に厚さ１．５
mm、幅１０mmの複数のステンレス製平角条３２を螺旋巻
きして形成してなる第１の金属補強条層３２と、第１の
金属補強条層３２上に厚さ１．５mm、幅１０mmの複数の
ステンレス製略Ｃ型条を螺旋巻きして形成してなる第２
の金属補強条層３３とから構成されている。第２の金属
補強条層３２は、隣り合う略Ｃ型条が向きを変えて配置
され、その端部同士が係合して繋がるようにして設けら
れている。この内側断熱管２１は、破壊内圧強度が２０
ＭＰａ程度であり、常時使用内圧は１０ＭＰａとするこ
とが可能である。

【００２５】断熱層２２は、積層真空断熱材により構成
されており、外側断熱管２３には、アルミ波付け管が用
いられている。さらに、防食層２４は、ポリ塩化ビニル
により構成されている。

【００２６】超電導導体１は断熱管２内に内挿されてお
り、断熱管２と超電導体１との間に形成されている流路
３には、極低温冷媒として液体窒素が通流されている。
また、超電導導体１のフォーマー１１内部にも液体窒素
が通流されている。

【００２７】上記構成を有する超電導ケーブルは、最大
使用内圧（図５における超電導ケーブル入口の圧力）Ｐ
１＝１０ＭＰａ、最低使用内圧（図５における超電導ケ
ーブル出口の圧力）Ｐ２＝０．５ＭＰａであり、式
（２）より圧力降下ΔＰ＝９．５ＭＰａである。また、
最低使用温度（図５における超電導ケーブル入口の温
度）Ｔ１＝７０Ｋ、最高使用温度（図５における超電導
ケーブル出口の温度）Ｔ２＝７７Ｋであり、式（１）よ
り温度上昇ΔＴ＝７Ｋである。この数値から冷却ステー
ション間隔を算出すると、この超電導ケーブルの冷却ス
テーション間隔は９５kmとすることができる。

【００２８】また、防食層２４の外径は約２００mmであ
り、この防食層２４の外側にクッション層と鉄線鎧層を
施すことにより、海底部が９０km程度のケーブル長で海
底敷設も可能となる。

【００２９】（比較例１）図４に示す超電導ケーブル
は、内側断熱管４１ａを除いては図１に示す実施例１の
超電導ケーブルと同じ構成を有している。この超電導ケ
ーブルでは、内側断熱管４１ａとして厚さ０．８mmであ
るステンレス製波付け管を用いている。

【００３０】上記構成を有する超電導ケーブルは、破壊
内圧強度が４ＭＰａ以上である。しかしながら、４ＭＰ
ａ以上では、内圧による内側断熱管の変形が、内圧を除
去したときに内側断熱管が完全に復元できないレベルま
で接近するので、常時使用内圧は最高でも約２ＭＰａし
かとれない。また、この超電導ケーブルは、最大使用内
圧Ｐ１＝２ＭＰａ、最低使用内圧Ｐ２＝０．５ＭＰａで
あるので、式（２）より圧力降下ΔＰ＝１．５ＭＰａで
ある。また、最低使用温度Ｔ１＝７０Ｋ、最高使用温度
Ｔ２＝７７Ｋであるので、式（１）より温度上昇ΔＴ＝
７Ｋである。さらに、超電導導体、液体窒素の流路のサ
イズ、および断熱管の断熱性能は図１に示す超電導ケー
ブルと同一であるので、液体窒素の流量も同一である。
したがって、この数値から冷却ステーション間隔を算出
すると、この超電導ケーブルの冷却ステーション間隔
は、ΔＰの減少に比例して短くなり１５kmとなる。

【００３１】（比較例２）図６に示す超電導ケーブル
は、内側断熱管４１ａを除いては図１に示す実施例１の
超電導ケーブルと同じ構成を有している。この超電導ケ
ーブルでは、内側断熱管４１ａとして厚さ５mmであるス
テンレス製直管を用いている。

【００３２】上記構成を有する超電導ケーブルは、その
常時使用内圧が図１に示す超電導ケーブルと同様に１０
ＭＰａとすることが可能である。これにより、冷却ステ
ーション間隔も図１に示す超電導ケーブルと同様に９５
kmとすることができる。しかしながら、内側断熱管４１
ａは内径が１２０mmの直管で肉厚も５mmあるため、屈曲
性が悪く、長尺のものをドラムに巻き取りながら製造す
ることはできず、ドラムごと輸送することが不可能であ
る。したがって、十数ｍ程度のものを敷設現場で接続し
なければならない。

【００３３】

【発明の効果】以上説明した如く本発明の超電導ケーブ
ルは、合成樹脂製の管状体の内側および／または外側に
複数の金属補強条で構成される層が形成されてなる内側
断熱管を設けたもので、極低温冷媒の断熱管の使用内圧
をより高くすることができ、それにより、冷却ステーシ
ョン間隔を広げることができる。したがって、１００km
程度の冷却ステーション間隔を必要とする海底敷設超電
導ケーブルの実現が可能になる。また、本発明の超電導
ケーブルは、屈曲性に優れるので、長尺での超電導ケー
ブルの製造および輸送が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導ケーブルの一実施例を示す断面
図。

【図２】本発明の超電導ケーブルの内側断熱管の一部を
示す断面図。

【図３】本発明の超電導ケーブルの内側断熱管の一部を
示す斜視図。

【図４】従来の超電導ケーブルの一例を示す断面図。

【図５】従来の超電導ケーブルを用いたシステムを示す
概略図。

【図６】従来の超電導ケーブルの他の例を示す断面図。

【符号の説明】

１…超電導導体、２…断熱管、３…流路、１１…フォー
マー、１２…第１の超電導層、１３…電気絶縁層、１４
…第２の超電導層、２１…内側断熱管、２２…断熱層、
２３…外側断熱管、２４…防食層、３１…エチレンプロ
ピレンゴム管、３２…ステンレス製平角条、３３…第２
の金属補強条層、４３…流路。

フロントページの続き (72)発明者 荒川 文生 東京都中央区銀座６丁目15番１号 電源開 発株式会社工務部内 (72)発明者 荻本 和彦 東京都中央区銀座６丁目15番１号 電源開 発株式会社開発計画部内 (72)発明者 斉木 光一 東京都中央区銀座６丁目15番１号 電源開 発株式会社技術開発部内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管状体からなるフォーマー上に超電導層が
   形成されてなる超電導導体（１）と、 内側断熱管（２）上に断熱層（２２）が形成され、前記
   超電導導体（１）が内挿される断熱管（２）と、 前記断熱管（２）と前記超電導導体（１）との間に形成
   された極低温冷媒流路（４３）とを具備し、 前記内側断熱管（２１）は、合成樹脂製の管状体（３
   １）の内側および／または外側に金属補強条で構成され
   る層が形成されてなることを特徴とする超電導ケーブ
   ル。