JP2014146585A - 超電導ケーブル、および超電導ケーブル線路 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも冷却区間長を長くすることができる超電導ケーブルを提供する。
【解決手段】ケーブル部９０と、内側冷媒２０Ｃと、外側冷媒３０Ｃと、を備える超電導ケーブル１である。ケーブル部９０は、ケーブル内部部材１０と、ケーブル内部部材１０を内部に収納する内部部材収納管２０と、その内部部材収納管２０を内部に収納する外側断熱管３０と、を備える。内部部材収納管２０は外側断熱管３０よりも長くなっている。内側冷媒２０Ｃは、内部部材収納管２０の内部に循環され、外側冷媒２０Ｃは、外側断熱管３０の内側で、かつ内部部材収納管２０の外側に循環される。外側断熱管３０を介した外部環境からの侵入熱は、外側冷媒３０Ｃの循環によって処理される。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導導体を有するケーブル内部部材を備える超電導ケーブル、およびその超電導ケーブルを備える超電導ケーブル線路に関する。

超電導導体を有するケーブル内部部材を備える超電導ケーブルが知られている。特許文献１の超電導ケーブルは、フォーマの外周に少なくとも超電導導体と電気絶縁層を設けたケーブル内部部材を断熱管の内部に収納し、その断熱管の内部に液体冷媒を循環させる構成（いわゆる低温絶縁型の構成）を備える。一方、特許文献２の超電導ケーブルは、フォーマの外周に超電導導体を備えるケーブル内部部材を、電気絶縁層を外周に設けた断熱管の内部に収納し、その断熱管の内部に液体冷媒を循環させる構成（いわゆる常温絶縁型の構成）を備える。いずれの構成においても、ケーブル内部部材を収納する断熱管内に液体冷媒を循環冷却させることで、外部環境から断熱管内への侵入熱を処理し、ケーブル内部部材の超電導導体を極低温に維持することができる。なお、交流送電を行なう超電導ケーブルでは、交流損失によって超電導導体自身が発熱するため、侵入熱に加えて超電導導体の発生熱を処理する必要があるのに対し、直流送電を行なう超電導ケーブルでは、外部環境からの侵入熱を処理することで超電導導体を極低温に維持することができる。

上記構成における液体冷媒は、循環路中で気化しない温度・圧力の条件（つまり、循環路中で液体冷媒の気化が生じることは、この条件を外れていることを意味する）の下、所定の流量で循環されている。気化要因である液体冷媒の温度は、直流送電にあっては侵入熱、交流送電にあっては侵入熱に加えて超電導導体の発生熱によって上昇する。その温度上昇が所定の範囲内になるように液体冷媒の流量が設定され、温度が上昇した液体冷媒は冷却システムにより冷却されることで、循環路中の液体冷媒が気化しない状態に維持される。なお、許容温度とは、超電導導体の臨界温度未満の温度であって、超電導導体が所定の電流容量（Ａ）を満たすことができる温度のことである。

特開２０１１−２２６５２６号公報 特開２０１２−１７４４０３号公報

近年、超電導ケーブルの冷却区間長を長くすることが望まれている。例えば、長距離トンネルなど、超電導ケーブルの冷却システムを設置するスペースの確保が難しい環境に、超電導ケーブルを布設する場合が想定されるからである。

ここで、超電導ケーブルの冷却区間長が長くなると、ケーブル内部部材を冷却する液体冷媒の圧力損失が大きくなるため、超電導ケーブルに何らかの対策を施すことが求められる。例えば、液体冷媒の圧力損失を考慮して液体冷媒を高圧で循環させることが考えられる。その場合、液体冷媒の圧力に耐え得るように断熱管を耐高圧設計とする必要がある。しかし、断熱管の強度の向上にも限界があるため、断熱管の強度による超電導ケーブルの長尺化には限界がある。また、別の対策として、断熱管の径を大きくする、即ち液体冷媒の流路断面積を大きくして、液体冷媒の圧力損失が高くなることを抑制することが考えられる。しかし、超電導ケーブルの設置スペースの問題、大径化した断熱管の強度の問題などがあるため、断熱管の径を大きくすることにも限界があり、やはり超電導ケーブルの長尺化は難しい。そのため、全く新しい構造の超電導ケーブルの開発が望まれている。

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、従来よりも冷却区間長を長くすることができる超電導ケーブル、およびその超電導ケーブルを用いた超電導ケーブル線路を提供することにある。

本発明の超電導ケーブルは、超電導導体を有するケーブル内部部材を備える超電導ケーブルであって、ケーブル部と、内側冷媒と、外側冷媒と、を備える。ケーブル部は、ケーブル内部部材と、ケーブル内部部材を内部に収納する内部部材収納管と、その内部部材収納管を内部に収納する外側断熱管と、を備える。内側冷媒は、内部部材収納管の内部に循環され、ケーブル内部部材に備わる超電導導体を極低温に冷却する。外側冷媒は、外側断熱管の内部で、かつ内部部材収納管の外側に循環され、内部部材収納管の温度上昇を抑制する。内部部材収納管は、外側断熱管よりも長く、それによってケーブル部の長手方向に、内部部材収納管に外側断熱管が重複する重複領域（即ち、内側冷媒に外側冷媒が重複する領域）と、内部部材収納管に外側断熱管が重複しない非重複領域（即ち、内側冷媒に外側冷媒が重複しない領域）と、が形成されている。

上記本発明の超電導ケーブルは、ケーブル内部部材よりも外側に内側冷媒の流路と外側冷媒の流路が形成された構成、即ちケーブル内部部材よりも外側に二重に液体冷媒の流路が形成された二重流路構造を備えている。これに対して、従来の超電導ケーブルには、ケーブル内部部材よりも外側に一重の液体冷媒の流路が形成された一重流路構造しかない。なお、従来の超電導ケーブルとして、ケーブル内部部材の中空フォーマの内側と、ケーブル内部部材の外側とに冷媒流路を形成したものはあるが、その場合もケーブル内部部材の外側には一重の液体冷媒の流路が形成されるのみであり、この構造は本明細書では一重流路構造として扱う。

本発明の超電導ケーブルでは、ケーブル内部部材を極低温に維持する内側冷媒と、外部環境からの侵入熱を処理する外側冷媒と、を分け、かつ内側冷媒の流路長を外側冷媒の流路長よりも長くした二重流路構造を採用している。そうすることで、本発明の超電導ケーブルの冷却区間長を、従来の超電導ケーブル構造（即ちケーブル内部部材の外側に一重の液体冷媒の流路が形成される一重流路構造の超電導ケーブル）よりも長くできる。仮に、基準となる一重流路構造の超電導ケーブルの冷却区間長を『１』とした場合、流路断面積を２倍とした一重流路構造の超電導ケーブルの冷却区間長は『約１．４』まで延ばすことが可能であるのに対して、本発明の二重流路構造を有する超電導ケーブルの冷却区間長は『約１．６』まで延ばすことが可能である。なお、本発明の超電導ケーブルにおける冷却区間長とは、超電導導体を有するケーブル内部部材に接触する内側冷媒の流路長のことである。

本発明の超電導ケーブルとして、内部部材収納管が、少なくとも第一分割管と、その第一分割管と異なる構造の第二分割管と、を組み合わせてなる形態を挙げることができる。その場合、外側断熱管の内部に、外側断熱管とほぼ同尺の第一分割管が収納され、重複領域と非重複領域とのほぼ境界位置で、第一分割管と第二分割管とが接続される。

上記構成によれば、後述する断熱構造と伝熱構造が混在した内部部材収納管を形成することが容易になる。

本発明の超電導ケーブルとして、外側断熱管の内部に、外側断熱管よりも長尺の内部部材収納管の一部が配置されている形態を挙げることができる。つまり、この構成では、内部部材収納管は、その全長にわたって断熱構造を有する部材である。

上記構成によれば、外側断熱管の内部に内部部材収納管を配置するだけで、重複領域と非重複領域とを備える超電導ケーブルとすることができる。

本発明の超電導ケーブルとして、内部部材収納管における少なくとも非重複領域に相当する部分が断熱構造を備える形態を挙げることができる。もちろん、内部部材収納管の全長にわたって断熱構造を備える形態でも良い。さらに、内部部材収納管の非重複領域が断熱構造、重複領域が伝熱構造である形態とすることもできる。

例えば、内部部材収納管が全長にわたって断熱構造を備える場合、内部部材収納管の内部の内側冷媒と、内部部材収納管の外部の外側冷媒と、の間の熱交換を抑制することができる。その場合、外側冷媒の影響によって内側冷媒の温度が変化することを抑制できる。この構成は、送電に伴うケーブル内部部材の発熱が無い直流送電に用いると良い。

一方、内部部材収納管における重複領域に相当する部分が伝熱構造である場合、その重複領域に相当する部分で内側冷媒と外側冷媒との間で熱交換を許容することができる。その場合、重複領域に相当する部分で内側冷媒の温度よりも外側冷媒の温度が低ければ、内側冷媒の温度上昇を抑制することができる。この構成は、送電に伴うケーブル内部部材の発熱が有る交流送電に用いると良い。ここで、内部部材収納管を、重複領域に配置される第一分割管と、非重複領域に配置される第二分割管と、に分ける構成であれば、重複領域を伝熱構造、非重複領域を断熱構造とすることが容易にできる。

本発明の超電導ケーブルとして、内部部材収納管の断熱性能が変更可能に構成されている形態を挙げることができる。

ケーブル内部部材を冷却する際、ケーブル内部部材の冷却状態にムラがあると、ケーブル内部部材の長手方向にケーブル内部部材の収縮差が生じるため、ケーブル内部部材に過大な張力が作用する恐れがある。これに対して、上記構成のように、内部部材収納管の断熱性能を変化させることができれば、ケーブル内部部材を冷却する際、ケーブル内部部材を長手方向にわたって極端な温度差が生じないように冷却することができ、ケーブル内部部材に過大な張力が作用することを抑制できる。ケーブル内部部材を長手方向にわたって冷却するには、ケーブル内部部材の冷却を開始するときにまず内部部材収納管の断熱性能を高くし、内部部材収納管と外側断熱管との間を冷却する。内部部材収納管の外周の温度が全長にわたって冷却された状態となったら、内部部材収納管の断熱性能を低くする。そうすることで、内部部材収納管の内部、即ちケーブル内部部材をその全長にわたってムラなく冷却することができる。

本発明の超電導ケーブルは、直流送電に利用される形態であっても良いし、交流送電に利用される形態であっても良い。

本発明の超電導ケーブルは特に、直流送電に利用される場合に超電導ケーブルの長尺化に寄与する。直流送電用途の超電導ケーブルにおいては交流損失がないため、超電導導体を適正な温度に維持するために処理すべき熱は外部環境からの侵入熱のみである。

一方、本発明の超電導ケーブル線路は、本発明の超電導ケーブルを少なくとも一部に備える。例えば、上記本発明の超電導ケーブル線路において、本発明の超電導ケーブルからなる第一超電導ケーブルと、内側流通管、および内側流通管が内部に収納される外側流通管を備えるリターン管と、が並列して設けられる箇所を有する形態を挙げることができる。その場合、第一超電導ケーブルの内部部材収納管と、リターン管の内側流通管と、を繋げ、第一超電導ケーブルの外側断熱管と、リターン管の外側流通管と、を繋げておくと良い。また例えば、上記本発明の超電導ケーブル線路において、本発明の超電導ケーブルからなる第二超電導ケーブルと第三超電導ケーブルとが並列して設けられる箇所を有する形態を挙げることができる。その場合、並列される第二超電導ケーブルと第三超電導ケーブルに備わる内部部材収納管同士、および外側断熱管同士を繋げておくと良い。

本発明の超電導ケーブル線路によれば、超電導ケーブル線路の布設経路において冷却システムを容易に設けることができない難布設区間（例えば長距離トンネルの内部など）がある場合にも超電導ケーブル線路を容易に構築することができる。本発明の超電導ケーブル線路に備わる超電導ケーブルのうち、冷却区間長が従来よりも長い本発明の超電導ケーブルを難布設区間に適用すれば、難布設区間における冷却システムの配置の問題を解決することができるからである。

本発明の超電導ケーブルによれば、従来よりも冷却区間長が長い超電導ケーブルとすることができる。

実施形態１に示す超電導ケーブル線路の一部を示す概略構成図である。 （Ａ）は低温絶縁型の超電導ケーブルに備わるケーブル部の重複領域における概略横断面図、（Ｂ）は常温絶縁型の超電導ケーブルに備わるケーブル部の重複領域における概略横断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面で同一の符号を付しているものは同一物である。

＜実施形態１＞
≪全体構成≫
図１は、本実施形態の超電導ケーブル線路１０１における冷却システムの設置が困難な区間長のほぼ半分を示す概略構成図である。図１の紙面右端の一点鎖線よりも右側には、一点鎖線よりも左側に示す構成が左右反転した状態で存在している。

本実施形態の超電導ケーブル線路１０１は、紙面左側に示す端末９１と、紙面右側の一点鎖線よりも右側にある図示しない端末と、の間で直流送電を行なう送電路である。この超電導ケーブル線路１０１では、超電導ケーブル１の導電路となるケーブル内部部材１０が、接続部Ｊ３を介して、一点鎖線よりも右側にある超電導ケーブルのケーブル内部部材に接続されている。また、本実施形態の超電導ケーブル１０１では、超電導ケーブル１に並列してリターン管８が設けられている（一点鎖線よりも右側にあるリターン管は省略）。リターン管８は、上述した超電導ケーブル１との間で超電導ケーブル１の超電導導体を極低温に維持する冷媒の循環路を構成する部材である。図１に示されるリターン管８と、一点鎖線よりも右側にある図示しないリターン管とは、接続されておらず、図１に示される冷媒の循環は一点鎖線の左側で完結している。上述した超電導ケーブル１とリターン管８とを備える本実施形態１の超電導ケーブル線路１０１の最も特徴とするところは、超電導ケーブル１の一部が、ケーブル内部部材１０の外側を内側冷媒２０Ｃと外側冷媒３０Ｃとで二重に取り囲む二重流路構造となっており、超電導ケーブル１の残部が、ケーブル内部部材１０の外側を内側冷媒２０Ｃで一重に取り囲む一重流路構造となっていることである。以下、超電導ケーブル線路１０１に備わる超電導ケーブル１およびリターン管８の構成を説明し、次いで流路構造の構築状態を説明する。

≪超電導ケーブル≫
超電導ケーブル１は、ケーブル部９０と、ケーブル部９０に備わるケーブル内部部材１０を極低温に冷却する内側冷媒２０Ｃと、ケーブル部９０における内側冷媒の外周側に配される外側冷媒３０Ｃと、を備える。ケーブル部９０は、導電路となるケーブル内部部材１０と、それを内部に収納する内部部材収納管２０と、さらに内部部材収納管２０を内部に収納する外側断熱管３０と、を備える。内部部材収納管２０は、外側断熱管３０よりも長くなっている。そのため、超電導ケーブル１の長手方向において、内部部材収納管２０に外側断熱管３０が重複する重複領域Ｒ１と、内部部材収納管２０に外側断熱管３０が重複しない非重複領域Ｒ２と、が形成されている。即ち、重複領域Ｒ１においては、ケーブル内部部材１０が内側冷媒２０Ｃと外側冷媒３０Ｃとで二重に取り囲まれた二重流路構造となっており、非重複領域Ｒ２においては、ケーブル内部部材１０が内側冷媒２０Ｃで一重に取り囲まれた一重流路構造となっている。

［ケーブル部］
ケーブル部９０の説明にあたり、重複領域Ｒ１における超電導ケーブル１の横断面図である図２（Ａ）を参照する。図２（Ａ）に示すケーブル部９０を備える超電導ケーブル１は、いわゆる低温絶縁型の超電導ケーブルである。なお、低温絶縁型の超電導ケーブルを、常温絶縁型の超電導ケーブルに置換することもできる。その点に関しては、図２（Ｂ）を参照する実施形態２で説明する。

低温絶縁型の超電導ケーブルのケーブル部９０は、超電導導体１２を備えるケーブル内部部材１０と、そのケーブル内部部材１０が内部に収納される内部部材収納管２０と、その内部部材収納管２０が内部に収納される外側断熱管３０と、を備える。ケーブル内部部材１０は内部部材収納管２０内で鉛直下方に偏り、内部部材収納管２０は外側断熱管３０内で鉛直下方に偏る傾向にある。

（ケーブル内部部材）
ケーブル内部部材１０は、代表的には、フォーマ１１の上に順次、超電導導体１２、電気絶縁層１３、外側導体層１４、保護層１５を設けた構成を備える。図１に示すように、内部部材収納管２０の内部で複数のケーブル内部部材１０が接続部Ｊ１，Ｊ２を介して接続される。なお、図示される接続部の数は実際の数よりもかなり少なく表示している。

ケーブル内部部材１０に備わるフォーマ１１は、超電導導体１２の支持体に利用される部材であり、例えば、図２（Ａ）に示すような中実体を利用できる。フォーマ１１の形状としては、撚り線などの中実体の他、パイプ状の中空体を利用することもできる。このフォーマ１１の材質は特に限定されない。単に超電導導体１２の支持体としてフォーマ１１を利用するのであれば、フォーマ１１は樹脂（例えば、繊維強化プラスチック）などの非導電性材料から構成しても良いし、フォーマ１１に異常時電流の分流路としての機能も持たせるのであれば、銅やアルミニウムなどの常電導の金属材料から構成しても良い。

超電導導体１２は、例えば酸化物超電導体を備えるテープ状線材をフォーマ１１の外周に螺旋状に巻回することで形成できる。テープ状線材は、単層状に巻回しても良いし、多層状に巻回しても良い。このテープ状線材としては、例えば、Ｂｉ２２２３系超電導テープ線（Ａｇ−ＭｎやＡｇなどの安定化金属中に酸化物超電導体からなるフィラメントが配されたシース線）、ＲＥ１２３系薄膜線材（ＲＥ：希土類元素、例えばＹ、Ｈｏ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄなど。金属基板に酸化物超電導相が成膜された積層線材）が挙げられる。

電気絶縁層１３は、例えばクラフト紙とポリプロピレンなどの樹脂フィルムとをラミネートした半合成紙（住友電気工業株式会社製ＰＰＬＰ：登録商標）を超電導導体１２の外周に巻回することで形成できる。電気絶縁層１３は、後述する内部部材収納管２０内で超電導導体１２と共に極低温に冷却される。

外側導体層１４は、電気絶縁層１３の外周に、例えば超電導導体１２に用いたものと同様の超電導線材を巻回することで形成できる。外側導体層１４を超電導線材から構成した場合、交流ケーブルでは電磁シールドとして利用することができるし、直流ケーブルでは電流の往路と帰路の一方を構成する往路導体層（帰路導体層）、又は中性線として利用することができる。なお、超電導ケーブル１に流れる電流値が大きくない場合などには、外側導体層１４は必ずしも超電導線材で構成する必要はない。その場合、金属テープなどで外側導体層１４を構成すれば良い。

保護層１５は、例えば、クラフト紙を巻回することで形成することができる。この保護層１５は、外側導体層１４を機械的に保護すると共に、内部部材収納管２０との間を絶縁させるためのものである。

（内部部材収納管）
内部部材収納管２０は、上述したケーブル内部部材１０を内部に収納する管路である。本実施形態における内部部材収納管２０は、その全長にわたって断熱構造（真空・非真空を問わない）を有する。なお、図示していないが、内部部材収納管２０は、長手方向に繋ぎ目や接続部が形成されていても良い。

内部部材収納管２０には、例えば、ケーブル内部部材１０を収納する内管２１と、内管２１を内部に収納する外管２２と、を備える二重管構造を採用することができる。内管２１と外管２２との間に断熱材や、内管２１と外管２２とを離隔させるスペーサを配置すると、内部部材収納管２０の断熱性を高められる。なお、本実施形態では、内部部材収納管２０として二重管構造を利用しているが、三重以上の多重管構造としても良い。

内管２１及び外管２２の構成材料としては、ステンレス鋼、アルミニウムやその合金などの金属が挙げられる。両管２１，２２の材質を異ならせてもよい。また、両管２１，２２はいずれも、その全長に亘ってコルゲート加工が施されたコルゲート管とすることができる。そうすることで、搬送時や布設時にケーブル部９０を曲げ易くすることができる。

（外側断熱管）
外側断熱管３０は、上述した内部部材収納管２０を内部に収納する管路であって、断熱構造を有する。この外側断熱管３０も、図示していないが、その長手方向に繋ぎ目や接続部を有していても良い。

上記外側断熱管３０は、内部部材収納管２０を内部に収納する内管３１と、内管３１を内部に収納する外管３２と、を備える。内管３１と外管３２との間は真空引きされ、それによって真空断熱層が形成されている。その他、内管３１と外管３２との間にスーパーインシュレーションといった断熱材や、内管３１と外管３２とを離隔させるスペーサを配置すると、外側断熱管３０の断熱性を高められる。なお、本実施形態では、断熱管として二重構造の断熱管を利用しているが、三重以上の多重管構造としても良い。

内管３１及び外管３２の構成材料としては、ステンレス鋼、アルミニウムやその合金などの金属が挙げられる。両管３１，３２の材質を異ならせてもよい。また、両管３１，３２はいずれも、その全長に亘ってコルゲート加工が施されたコルゲート管とすることができる。そうすることで、搬送時や布設時にケーブル部９０を曲げ易くすることができる。

［内側冷媒］
以上説明したケーブル部９０の内部部材収納管２０の内部には内側冷媒２０Ｃが循環される。この内側冷媒２０Ｃにより、ケーブル内部部材１０の超電導導体１２を極低温に冷却し、超電導導体１２を超電導状態に維持することができる。内側冷媒２０Ｃとしては、液体窒素（沸点；約７７Ｋ）や、液体空気（沸点；約８３Ｋ）、液体酸素（沸点；約９０Ｋ）、液体水素（沸点；約２０．６Ｋ）、液体ヘリウム（沸点；約４．２Ｋ）などを利用することができる。ケーブル内部部材１０に備わる超電導導体１２が、例えばＢｉ２２２３系や、ＲＥ１２３系（ＲＥ：希土類元素、例えばＹ、Ｈｏ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄなど）などの高温超電導材料の場合、約８５Ｋ以下の沸点をもつ液体冷媒が好ましく、安全性、入手の容易さ、絶縁性、コストを考慮して、液体窒素が最も好ましい。

［外側冷媒］
図２（Ａ）に示すように、外側冷媒３０Ｃは、ケーブル部９０における外側断熱管３０の内部で、かつ内部部材収納管２０の外側の空間に循環される。本実施形態では、外側冷媒３０Ｃの流路断面積は、内側冷媒２０Ｃの流路断面積とほぼ同じとなっている。この外側冷媒３０Ｃの循環によって外側断熱管３０を介した侵入熱を処理し、内部部材収納管２０の温度上昇を抑制することができる。内部部材収納管２０の温度上昇を抑制することができれば、その内部部材収納管２０の内部に充填される内側冷媒２０Ｃの温度上昇を抑制でき、超電導導体１２を極低温に維持することができる。

外側冷媒３０Ｃには、上述した内側冷媒２０Ｃに利用することができる液体冷媒を用いることができる。外側冷媒３０Ｃと内側冷媒２０Ｃとに同一の液体冷媒を用いても良いし、異なる液体冷媒を用いても良い。後者の場合、外側冷媒３０Ｃとして、内側冷媒２０Ｃの沸点よりも低沸点の液体冷媒を利用することが好ましい。また、外側冷媒３０Ｃは、固液混合としても良い。例えば、外側冷媒３０Ｃとして液体窒素を利用する場合、その液体窒素中にスラッシュ窒素を含有させても構わない。スラッシュ窒素を用いることで液体窒素のガス化を遅らせることができる。

≪リターン管≫
本実施形態におけるリターン管８は、図１に示すように、上述した超電導ケーブル１からケーブル内部部材１０を除いたような構成を備える。即ち、リターン管８は、内側冷媒２０Ｃを流通させる内側流通管８１と、内側流通管８１を内部に収納すると共に、外側冷媒３０Ｃを流通させる外側流通管８２とを備える。また、内側流通管８１が外側流通管８２よりも長くなっており、従ってリターン管８においても重複領域Ｒ１と非重複領域Ｒ２とが形成される。内側流通管８１には、超電導ケーブル１の内部部材収納管２０と同様の二重管構造を利用することができ、また、外側流通管８２には、超電導ケーブル１の外側断熱管３０と同様の二重管構造を利用することができる。

ここで、内側流通管８１の流路断面積および外側流通管８２の流路断面積はそれぞれ、内部部材収納管２０の流路断面積および外側断熱管３０の流路断面積と同等以上としておく。特に、リターン管８と超電導ケーブル１とで流路断面積を同じとすると、内側冷媒２０Ｃと外側冷媒３０Ｃの循環が阻害されることがなく、しかもリターン管８の外径を超電導ケーブル１の外径よりも小さくすることができる。また、リターン管８の流路断面積を、超電導ケーブル１の流路断面積よりも大きくすれば、冷却区間長を長くするために有効である。その場合でも、リターン管８の流路断面積を大きくしすぎなければ、リターン管８の外径を超電導ケーブル１の外径以下とすることは可能である。

≪流路構造の構築状態≫
図１に示すように、超電導ケーブル１の内部部材収納管２０と、リターン管８の内側流通管８１とは、接続部Ｊ３の位置で内側流路接続部２９によって接続される。内側流路接続部２９は、外部環境からの熱侵入を抑制する断熱構造を有している。この内側流路接続部２９によって、超電導ケーブル１とリターン管８との間で内側冷媒２０Ｃの循環路が形成される。

内側冷媒２０Ｃは、端末９１の近傍に設けられる内側冷媒の循環冷却機構４０によって内部部材収納管２０内に循環される（図中の白抜き矢頭の付いた実線矢印を参照）。当該循環冷却機構４０は、リザーバタンク４１と、往路管４２と、復路管４３と、液化機４４と、ポンプ４５と、を備える。リザーバタンク４１は断熱構造を備え、内側冷媒２０Ｃの温度変化に伴う内側冷媒２０Ｃの体積変化を吸収すると共に、内側冷媒２０Ｃを貯留する部材である。往路管４２は、端末９１近傍でリザーバタンク４１と内部部材収納管２０とを繋ぐ断熱管であり、復路管４３は、リザーバタンク４１と内側流通管８１とを繋ぐ断熱管である。冷却システム４４は、内側冷媒２０Ｃを冷却するシステムであって、冷凍機やポンプなどで構成される。また、ポンプ４５は、往路管４２の途中に設けられ、内側冷媒２０Ｃを内部部材収納管２０に送り出す部材であって、市販のものを利用することができる。

内側冷媒２０Ｃの循環は次のように行なわれる。まず、リザーバタンク４１に貯留される内側冷媒２０Ｃは、ポンプ４５によって往路管４２に送り出され、端末９１の近傍で内部部材収納管２０の内部に流れ込む。内部部材収納管２０に流れ込んだ内側冷媒２０Ｃは、紙面右側に向かって流れ、紙面右端の内側流路接続部２９を介して、リターン管８の内側流通管８１に流れ込む。そして、リターン管８を紙面左側に向かって流れる内側冷媒２０Ｃは、紙面左端で内側冷媒の循環冷却機構４０の復路管４３に流れ込み、リザーバタンク４１に戻る。リザーバタンク４１に戻った内側冷媒２０Ｃは冷却システム４４で冷却され、再び往路管４２に送り出される。

一方、超電導ケーブル１の外側断熱管３０と、リターン管８の外側流通管８２とは、重複領域Ｒ１と非重複領域Ｒ２の境界近傍で、外側流路接続部３９によって接続されている。外側流路接続部３９も、外部環境からの熱侵入を抑制する断熱構造を有している。この外側流路接続部３９によって、超電導ケーブル１とリターン管８との間で外側冷媒３０Ｃの循環路が形成される。

外側冷媒３０Ｃは、外側冷媒の循環冷却機構５０によって外側断熱管３０内に循環される（図中の点線矢印を参照）。当該循環冷却機構５０は、リザーバタンク５１と、往路管５２と、復路管５３と、液化機５４と、ポンプ５５と、を備える。リザーバタンク５１は断熱構造を備え、外側冷媒３０Ｃの温度変化に伴う外側冷媒３０Ｃの体積変化を吸収すると共に、外側冷媒３０Ｃを貯留する部材である。往路管５２は、端末９１近傍でリザーバタンク５１と外側断熱管３０とを繋ぐ断熱管であり、復路管５３は、リザーバタンク５１と外側流通管８２とを繋ぐ断熱管である。冷却システム５４は、外側冷媒３０Ｃを冷却するシステムであって、冷凍機やポンプなどで構成される。また、ポンプ５５は、往路管５２の途中に設けられ、外側冷媒３０Ｃを外側断熱管３０に送り出す部材であって、市販のものを利用することができる。

外側冷媒３０Ｃの循環は次のように行なわれる。まず、リザーバタンク５１に貯留される外側冷媒３０Ｃは、ポンプ５５によって往路管５２に送り出され、端末９１の近傍で外側断熱管３０の内部に流れ込む。外側断熱管３０に流れ込んだ外側冷媒３０Ｃは、紙面右側に向かって流れ、重複領域Ｒ１と非重複領域Ｒ２との境界近傍で外側流路接続部３９を介して、リターン管８の外側流通管８２に流れ込む。そして、リターン管８を紙面左側に向かって流れる外側冷媒３０Ｃは、紙面左端で外側冷媒の循環冷却機構５０の復路管５３に流れ込み、リザーバタンク５１に戻る。リザーバタンク５１に戻った外側冷媒３０Ｃは冷却システム５４で冷却され、再び往路管５２に送り出される。

≪本発明の超電導ケーブル線路の効果≫
以上説明した超電導ケーブル線路１０１（超電導ケーブル１）によれば、その冷却区間長を従来の超電導ケーブルに比べて大幅に長くすることができる。具体的には、本実施形態における内部部材収納管２０と同じ流路断面積を有し、その外部に外側断熱管３０がない従来の一重流路構造の超電導ケーブルの冷却区間長を『１』とした場合、流路断面積を２倍とした一重流路構造の冷却区間長は『約１．４』となる（下記計算例２を参照）のに対し、内側流路と同じ流路断面積を有する外部流路を構成する本実施形態の超電導ケーブル線路１０１の冷却区間長を『約１．６』とすることができる（下記計算例１を参照）。なお、計算にあたっては、各構成の単位体積当たりの流路抵抗は同じと見做す。

［計算例１］
重複領域Ｒ１の長さをＡ１、非重複領域Ｒ２の長さをＢ１とした場合、外側冷媒３０Ｃでは、Ａ１の長さで侵入熱の熱処理を行なうと共に、Ａ１の長さの圧力損失に対応する必要がある。一方、内側冷媒２０Ｃでは、Ｂ１の長さで侵入熱の熱処理を行なうと共に、Ａ１＋Ｂ１の長さの圧力損失に対応する必要がある。必要な冷媒の流量は、熱負荷（侵入熱や発生熱）を処理する区間の長さに比例し、圧力損失は冷媒流量（熱負荷区間の長さ）×流路の長さに比例することから、外側冷媒３０Ｃの圧力損失＝ｋ×Ａ１×Ａ１、内側冷媒２０Ｃの圧力損失＝ｋ×Ｂ１×（Ａ１＋Ｂ１）となる（ｋは流路抵抗に当たる係数）。外側冷媒３０Ｃが流れる部分の流路抵抗と、内側冷媒２０Ｃが流れる部分の流路抵抗とを同等とする場合、外側冷媒３０Ｃの圧力損失と内側冷媒２０Ｃの圧力損失とが同じとなるとき、即ちｋ×Ａ１×Ａ１＝ｋ×Ｂ１×（Ａ１＋Ｂ１）となるときのＢ１は約０．６１８×Ａ１となる。つまり、冷却区間長を、Ａ１＋０．６１８×Ａ１、即ちＡ１の約１．６倍とすることができる。

［計算例２］
一方、基準となる一重流路構造の長さをＡ１、その流路抵抗に当たる係数をｋとしたとき、流路断面積を２倍とした一重流路構造の流路抵抗に当たる係数はｋ／２になる。２倍断面積の一重流路構造の冷却区間長をＡ１’とした場合、その２倍断面積の一重流路構造における冷媒の圧力損失＝（ｋ／２）×Ａ１’×Ａ１’となる。基準となる一重流路構造での冷媒の圧力損失と、２倍断面積の一重流路構造での冷媒の圧力損失と、が同じとなるとき、即ちｋ×Ａ１×Ａ１＝（ｋ／２）×Ａ１’×Ａ１’となるときのＡ１’は約１．４１４×Ａ１となる。即ち、断面積を２倍にすることで、冷却区間長は約１．４倍にできる。

また、本実施形態の超電導ケーブル線路１０１（超電導ケーブル１）において、外側冷媒３０Ｃがケーブル内部部材１０の電気絶縁層１３と隔離されていることも、超電導ケーブル１の冷却区間長を長くすることができる要因の一つである。ＰＰＬＰ（登録商標）を巻回することで構成されるケーブル内部部材１０の電気絶縁層１３において、液体冷媒の圧力が低いと絶縁性能が不安定になることが知られている。安定した絶縁性能を確保するために、従来の超電導ケーブルでは、液体冷媒の最低圧力は０．２ＭＰａ（ベース圧力）以上とするのが一般的である。これに対して、本実施形態の超電導ケーブル１では、外側冷媒３０Ｃの循環にあたり上記ベース圧力を考慮する必要がなく、循環路中における外側冷媒３０Ｃ最高圧力と最低圧力との圧力差を従来構成よりも大きくすることができる。そのため、圧力差を大きくできる分だけ流量の調整幅を大きくすることができ、超電導ケーブル１の冷却区間長を長くすることができる。なお、外側冷媒３０Ｃがケーブル内部部材１０の電気絶縁層１３と隔離されていることで、外側冷媒３０Ｃの温度変化幅も大きくすることができる可能性がある。

＜実施形態２＞
実施形態１で説明した低温絶縁型の超電導ケーブルを、常温絶縁型の超電導ケーブルに置換することもできる。常温絶縁型の超電導ケーブルとして、例えば、図２（Ｂ）の横断面図に示すケーブル部９０’を備える超電導ケーブルを利用することができる。なお、この置換は、後述する実施形態においても同様に行なうことができる。

≪常温絶縁型超電導ケーブル≫
図２（Ｂ）に示す常温絶縁型の超電導ケーブルのケーブル部９０’は、図２（Ａ）に示す低温絶縁型の超電導ケーブルのケーブル部９０と同様、ケーブル内部部材１０’と、内部部材収納管２０’と、外側断熱管３０’と、を備える。両型の主たる相違点は、ケーブル内部部材の構成、および外側断熱管の構成にある。以下、両型の相違点を中心に説明する。

［ケーブル内部部材］
ケーブル内部部材１０’は、フォーマ１１の外周に超電導導体１２と保護層１５を備えるが、図２（Ａ）のケーブル内部部材１０における電気絶縁層１３と外側導体層１４に相当するものを有さない。超電導導体１２は、端末やジョイント部で内部部材収納管２０’に接続され、超電導導体１２と内部部材収納管２０’とは同電位となっている。そこで、後述する外側断熱管３０’の構成に示すように、常温絶縁型の超電導ケーブルでは、外側断熱管３０’の外周に電気絶縁層３３を設けている。なお、上記ケーブル内部部材１０’における超電導導体１２の外周には、保護層１５を設けることが好ましい。保護層１５としては、クラフトテープなどを利用することができる。

［外側断熱管］
外側断熱管３０’は、内管３１と外管３２に加え、外管３２の外周に電気絶縁層３３を備える。電気絶縁層３３は、所望の耐電圧特性を有するものであって、常温環境で利用される。この電気絶縁層３３には、常電導ケーブルで実績がある電気絶縁強度に優れる材料、代表的にはＣＶケーブルに利用される架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）などを利用できる。架橋ポリエチレンなどの絶縁性樹脂であれば、外管３２の外周に絶縁性樹脂を押し出すだけで電気絶縁層３３を容易に形成できる。

＜実施形態３＞
実施形態１で説明した内部部材収納管２０は、その断熱性能を変更可能に構成しても良い。その場合、例えば、内部部材収納管２０の内管２１と外管２２との間の内部空間に繋がる真空ポートを内部部材収納管２０に設ければ良い。この真空ポートを用いて上記内部空間を真空引きすれば、内部部材収納管２０の断熱性能を上昇させることができる。逆に真空ポートを用いて内部空間内に窒素ガスなどを導入すれば、内部部材収納管２０の断熱性能を低下させることができる。

内部部材収納管２０の断熱性能を変更可能に構成することで、超電導ケーブル１のケーブル内部部材１０を冷却する際、ケーブル内部部材１０に過大な張力が作用し、ケーブル内部部材１０が損傷することを防止できる。具体的には、まず内部部材収納管２０の断熱性能を高くし、外側冷媒３０Ｃの充填を行う。当初はガス状態での冷却が進められ、所定の温度に到達した時点で液体冷媒を充填し、最終的に循環させる。外側冷媒３０Ｃによって内部部材収納管２０の重複領域Ｒ１の外周の温度が全長にわたってほぼ低下した状態となったら、内部部材収納管２０の断熱性能を低くする。そうすることで、内部部材収納管２０の内部が、内部部材収納管２０の全長にわたって冷却され、その内部部材収納管２０の内部に収納されるケーブル内部部材１０も全長にわたって冷却される。ケーブル内部部材１０の全長を冷却することができれば、ケーブル内部部材１０の長手方向にケーブル内部部材１０の収縮差が生じることを回避でき、ケーブル内部部材１０に過大な張力が作用することを回避できる。

なお、内部部材収納管２０内への内側冷媒２０Ｃの循環は、内部部材収納管２０内が十分に冷却されてから開始すれば良い。また、ケーブル内部部材１０を冷却した後の内部部材収納管２０の断熱性能は、高くする。

＜実施形態４＞
実施形態１では、内部部材収納管２０がその全長にわたって断熱構造を備える例を説明した。これに対して、内部部材収納管２０のうち、非重複領域Ｒ２に対応する部分のみを断熱構造とし、残りの重複領域Ｒ１に対応する部分を伝熱構造としても良い。この構成は、重複領域Ｒ１において、内部冷媒２０Ｃと外側冷媒３０Ｃとの間で熱交換を可能にする構成である。この構成を採用した超電導ケーブル線路は、送電に伴って超電導導体が発熱する交流送電に適している。

上記断熱構造と伝熱構造とが混在した内部部材収納管２０は、例えば、伝熱構造の第一分割管と、断熱構造の第二分割管と、を接続することで得られる。伝熱構造の第一分割管としては、例えばステンレス製の一重管を利用することができ、その長さは外側断熱管３０とほぼ同尺である。一方、断熱構造の第二分割管としては、実施形態１で説明した内管と外管とからなる二重管構造を利用することができる。これら第一断熱管と第二断熱管とを接続すれば、重複領域Ｒ１と非重複領域Ｒ２とのほぼ境界位置で、伝熱構造と断熱構造とに分けられた内部部材収納管２０を構築することができる。

＜実施形態５＞
実施形態１では、超電導ケーブル１とリターン管８とを並列させた超電導ケーブル線路１０１を説明した。これに対して、リターン管８を超電導ケーブル１と同様の構成を備える超電導ケーブルに置換することもできる。その場合、並列される両超電導ケーブルの内側冷媒の流路同士、および外側冷媒の流路同士を繋げれば良い。

＜実施形態６＞
実施形態１では、二重流路構造を有する本発明の超電導ケーブル１同士を直列に接続することで超電導ケーブル線路１０１を構築した。これに対して、二重流路構造を有する本発明の超電導ケーブルと、一重流路構造を有する従来の超電導ケーブルと、を直列に接続した部分を有する超電導ケーブル線路とすることもできる。その場合、直列に接続される本発明の超電導ケーブルと従来の超電導ケーブルのケーブル内部部材同士は接続するが、冷媒流路同士は接続しないようにすると良い。

上記構成は、超電導ケーブル線路の布設経路において、冷却システムの設置スペースの確保が難しい難布設区間がある場合に好適である。例えば、超電導ケーブル線路の布設にあたって、難布設区間に本発明の超電導ケーブルを配置し、残りの区間に従来の超電導ケーブルを配置すると良い。

＜実施形態７＞
実施形態１では、１条の超電導ケーブルに１心のケーブル内部部材を備える構成を説明した。これに対して、複数のケーブル内部部材を備える超電導ケーブルとすることができる。例えば、３心のケーブル内部部材を備える超電導ケーブルの場合、各ケーブル内部部材をそれぞれ内部部材収納管の内部に配置し、それら内部部材収納管を一括して外側断熱管の内部に配置すれば良い。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

本発明の超電導ケーブル、および本発明の超電導ケーブルを用いた超電導ケーブル線路は、例えば工場内の送電路に利用することができる。

１０１ 超電導ケーブル線路
１ 超電導ケーブル（第一超電導ケーブル）
９０，９０’ ケーブル部
１０，１０’ ケーブル内部部材
１１ フォーマ １２ 超電導導体 １３ 電気絶縁層 １４ 外側導体層
１５ 保護層
２０，２０’ 内部部材収納管
２１ 内管 ２２ 外管
２９ 内側流路接続部
３０，３０’ 外側断熱管
３１ 内管 ３２ 外管 ３３ 電気絶縁層
３９ 外側流路接続部
２０Ｃ 内側冷媒
３０Ｃ 外側冷媒
４０ 内側冷媒の循環冷却機構
４１ リザーバタンク ４２ 往路管 ４３ 復路管 ４４ 冷却システム
４５ ポンプ
５０ 外側冷媒の循環冷却機構
５１ リザーバタンク ５２ 往路管 ５３ 復路管 ５４ 冷却システム
５５ ポンプ
８ リターン管 ８１ 内側流通管 ８２ 外側流通管
９１ 端末
Ｊ１〜Ｊ３ 接続部

Claims (11)

1. 超電導導体を有するケーブル内部部材を備える超電導ケーブルであって、
   前記ケーブル内部部材、前記ケーブル内部部材が収納される内部部材収納管、および前記内部部材収納管が内部に収納される外側断熱管を備えるケーブル部と、
   前記内部部材収納管の内部に循環され、前記ケーブル内部部材に備わる超電導導体を極低温に冷却する内側冷媒と、
   前記外側断熱管の内部で、かつ前記内部部材収納管の外側に循環される外側冷媒と、を備え、
   前記内部部材収納管が、前記外側断熱管よりも長く、それによって前記ケーブル部の長手方向に、前記内部部材収納管に前記外側断熱管が重複する重複領域と、前記内部部材収納管に前記外側断熱管が重複しない非重複領域と、が形成されている超電導ケーブル。
2. 前記内部部材収納管は、少なくとも第一分割管と、その第一分割管と異なる構造の第二分割管と、を組み合わせてなり、
   前記外側断熱管の内部に、前記外側断熱管とほぼ同尺長の第一分割管が収納され、
   前記重複領域と前記非重複領域とのほぼ境界位置で、前記第一分割管と前記第二分割管とが接続されている請求項１に記載の超電導ケーブル。
3. 前記外側断熱管の内部に、前記外側断熱管よりも長尺の前記内部部材収納管の一部が配置されている請求項１に記載の超電導ケーブル。
4. 前記内部部材収納管における少なくとも前記非重複領域に相当する部分は、断熱構造を備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
5. 前記内部部材収納管における前記重複領域に相当する部分は、伝熱構造を備える請求項４に記載の超電導ケーブル。
6. 前記内部部材収納管の断熱性能が変更可能に構成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
7. 直流送電に利用される請求項１〜６のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
8. 交流送電に利用される請求項１〜６のいずれか一項に記載の超電導ケーブル。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の超電導ケーブルを少なくとも一部に備える超電導ケーブル線路。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の超電導ケーブルからなる第一超電導ケーブルと、
    内側流通管、および前記内側流通管が内部に収納される外側流通管を備えるリターン管と、が並列して設けられる箇所を有し、
    前記内側流通管が前記外側流通管よりも長く、それによってリターン管の長手方向に、前記内側流通管に前記外側流通管が重複する重複領域と、前記内側流通管に前記外側流通管が重複しない非重複領域と、が形成されており、
    前記第一超電導ケーブルの内部部材収納管と、前記リターン管の内側流通管と、を繋げ、
    前記第一超電導ケーブルの外側断熱管と、前記リターン管の外側流通管と、を繋げた請求項９に記載の超電導ケーブル線路。
11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の超電導ケーブルからなる第二超電導ケーブルと、
    請求項１〜８のいずれか一項に記載の超電導ケーブルからなる第三超電導ケーブルと、
    が並列して設けられる箇所を有し、
    並列される前記第二超電導ケーブルと前記第三超電導ケーブルに備わる前記内部部材収納管同士、および前記外側断熱管同士を繋げた請求項９に記載の超電導ケーブル線路。

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