JP2019030210A - 超電導ケーブルの端末構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】非真空断熱部が密に設けられ、かつ施工性に優れる超電導ケーブルの端末構造を提供する。【解決手段】超電導ケーブルに備える超電導導体の端部に電気的に接続される電流リードと、前記電流リードと、前記電流リードの周辺部材とを一括して覆う非真空断熱部とを備え、前記非真空断熱部は、硬化性樹脂により構成され、前記電流リード及び前記周辺部材の外面に沿って密着する熱絶縁体を備える超電導ケーブルの端末構造。【選択図】図1
Description
本発明は、超電導ケーブルの端末構造に関する。
特許文献1には、超電導ケーブルに備える超電導導体の端部と、この端部に電気的に接続される常電導リードと、これらの接続箇所の外周を覆うと共に、液体窒素等の冷媒が充填される断熱構造体とを備える超電導ケーブルの端末構造が開示されている。
上記断熱構造体は、ケーブル側断熱容器と、リード側断熱容器と、絶縁部材とを備える。ケーブル側断熱容器は、超電導ケーブルに備えるケーブル断熱管における常電導リード側の端部に設けられる。リード側断熱容器は、常電導リードにおける超電導ケーブル側の端部を覆うように設けられる。ケーブル側断熱容器及びリード側断熱容器は、冷媒槽と、その冷媒槽の外周を覆う真空断熱槽とを備える二重構造となっている。絶縁部材は、接地されているケーブル断熱管に接続されて接地電位であるケーブル側断熱容器と、高電位であるリード側断熱容器との間に必要な絶縁性能が得られるように介在される。
リード側断熱容器のうち、常電導リードを覆う部分は、非真空の断熱部で構成することが望まれている。常電導リードを覆う部分を非真空の断熱部とすることで、断熱容器を金属材料で構成しない、又は断熱容器を省略でき、超電導ケーブルの負荷時に、断熱容器の表面が高電位となることを抑制できると期待される。
非真空の断熱部としては、例えば熱絶縁体のシートを巻回して構成することが考えられるが、超電導ケーブルの端末構造は、断熱部を形成する領域が複雑であり、熱絶縁体のシートを巻回できずに隙間が形成される虞がある。
そこで、非真空断熱部が密に設けられ、かつ施工性に優れる超電導ケーブルの端末構造を提供することを目的の一つとする。
本開示に係る超電導ケーブルの端末構造は、
超電導ケーブルに備える超電導導体の端部に電気的に接続される電流リードと、
前記電流リードと、前記電流リードの周辺部材とを一括して覆う非真空断熱部とを備え、
前記非真空断熱部は、硬化性樹脂により構成され、前記電流リード及び前記周辺部材の外面に沿って密着する熱絶縁体を備える。
超電導ケーブルに備える超電導導体の端部に電気的に接続される電流リードと、
前記電流リードと、前記電流リードの周辺部材とを一括して覆う非真空断熱部とを備え、
前記非真空断熱部は、硬化性樹脂により構成され、前記電流リード及び前記周辺部材の外面に沿って密着する熱絶縁体を備える。
上記超電導ケーブルの端末構造は、非真空断熱部が密に設けられ、かつ施工性に優れる。
[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。
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
(1)本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの端末構造は、
超電導ケーブルに備える超電導導体の端部に電気的に接続される電流リードと、
前記電流リードと、前記電流リードの周辺部材とを一括して覆う非真空断熱部とを備え、
前記非真空断熱部は、硬化性樹脂により構成され、前記電流リード及び前記周辺部材の外面に沿って密着する熱絶縁体を備える。
超電導ケーブルに備える超電導導体の端部に電気的に接続される電流リードと、
前記電流リードと、前記電流リードの周辺部材とを一括して覆う非真空断熱部とを備え、
前記非真空断熱部は、硬化性樹脂により構成され、前記電流リード及び前記周辺部材の外面に沿って密着する熱絶縁体を備える。
電流リードの外周に非真空断熱部を備えることで、例えば超電導ケーブルが無負荷のときに、超電導導体を冷却する冷媒からの熱伝導で電流リードが冷却され、その電流リードの外周に霜が発生することを抑制できる。電流リードを覆う部分を非真空断熱部とすることで、断熱容器を金属材料で構成しない、又は断熱容器を省略でき、超電導ケーブルの負荷時に、断熱容器の表面が高電位となることを抑制できると期待される。
超電導ケーブルの端末構造は、後述するように、真空断熱部や絶縁ガス充填部等があり、それぞれ真空ポートやガス供給ポート等が突出するように設けられた周辺部材を備え、複雑な形状となっている。非真空断熱部が硬化性樹脂により構成される熱絶縁体を備えることで、非真空断熱部を形成する領域が複雑な形状であっても、熱絶縁体の形成時に、未硬化の硬化性樹脂が複雑な形状に沿って充填される。そのため、熱絶縁体を備える非真空断熱部は、電流リード及び周辺部材の外面に沿って密着して形成され、周辺部材との間に隙間が生じることなく密に設けられる。また、熱絶縁体が未硬化の硬化性樹脂を充填して形成されることで、容易に熱絶縁体を備える非真空断熱部を形成でき、構造の簡略化によって施工性に優れる。
(2)上記超電導ケーブルの端末構造の一形態として、前記非真空断熱部の内周にオーバーラップする部分を有し、前記超電導導体の外周を覆う真空断熱部を備えることが挙げられる。
超電導導体の外周を覆う真空断熱部が非真空断熱部にオーバーラップして設けられることで、超電導ケーブルの端末構造を小型化し易い。
(3)真空断熱部を備える上記超電導ケーブルの端末構造の一形態として、前記周辺部材は、前記真空断熱部の内部を真空引きするための真空ポートを含むことが挙げられる。
真空断熱部が非真空断熱部にオーバーラップして設けられると、真空断熱部の真空ポートは、非真空断熱部の形成領域に突出するように配置される場合がある。この場合であっても、非真空断熱部における熱絶縁体が未硬化の硬化性樹脂を充填して形成されることで、非真空断熱部は、真空ポートの外面に沿って密着して形成され、真空ポートとの間に隙間が生じることなく密に設けられる。
(4)上記超電導ケーブルの端末構造の一形態として、前記非真空断熱部は、前記電流リードに沿った長さが1000mm以下であることが挙げられる。
非真空断熱部の上記長さが1000mm以下であることで、輻射熱の影響を受け難く、非真空断熱部として輻射熱に対する対策を設けなくてもよく、構造を簡素化できる。
(5)上記超電導ケーブルの端末構造の一形態として、前記硬化性樹脂は、熱硬化性樹脂、常温硬化性樹脂、及び低温硬化性樹脂から選択される少なくとも一種であることが挙げられる。
硬化性樹脂として、加熱して樹脂を熱硬化させる熱硬化性樹脂を用いることで比較的早く熱絶縁体を形成できる。一方、硬化性樹脂として、常温から比較的低温に放置して樹脂を硬化させる常温硬化性樹脂や低温硬化性樹脂を用いることで、樹脂を加熱する作業を省略できる。
(6)上記超電導ケーブルの端末構造の一形態として、前記硬化性樹脂は、発泡樹脂を含むことが挙げられる。
発泡樹脂は、発砲した樹脂が気泡を含んで体積膨張した状態となる。そのため、硬化性樹脂に発泡樹脂を含むことで、断熱性能を向上し易い。
(7)上記超電導ケーブルの端末構造の一形態として、前記非真空断熱部は、更に、外部からの輻射熱をシールドする輻射熱シールド部を備えることが挙げられる。
非真空断熱部は、輻射熱の影響を受ける場合がある。非真空断熱部が輻射熱シールド部を備えることで、外部からの輻射熱をシールドでき、断熱性能を向上できる。
(8)非真空断熱部に輻射熱シールド部を備える上記超電導ケーブルの端末構造の一形態として、前記熱絶縁体は、前記電流リードの直上に設けられる内側熱絶縁体を備え、前記輻射熱シールド部は、前記内側熱絶縁体の直上に設けられることが挙げられる。
電流リードの直上に内側熱絶縁体を備えることで、非真空断熱部を形成する領域に真空ポートやガス供給ポート等が突出した周辺部材を備える場合であっても、その周辺部材を内側熱絶縁体によって埋設することができる。輻射熱シールド部は、例えばアルミニウム箔等のシート部材で構成されるため、上記周辺部材を内側熱絶縁体によって埋設し、更に内側熱絶縁体の外周面を円筒面等の平滑面とすることで、内側熱絶縁体に対して輻射熱シールド部を配置し易く、施工性を向上できる。
(9)非真空断熱部に輻射熱シールド部を備える上記超電導ケーブルの端末構造の一形態として、前記熱絶縁体は、前記輻射熱シールド部の直上に設けられる外側熱絶縁体を備えることが挙げられる。
輻射熱シールド部の直上に外側熱絶縁体を備えることで、輻射熱シールド部を外側熱絶縁体によって固定することができ、輻射熱シールド部が剥離したり破損したりすることを抑制できる。
[本発明の実施形態の詳細]
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの端末構造を詳細に説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。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及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの端末構造を詳細に説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。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及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
<実施形態1>
≪全体構成≫
実施形態1に係る超電導ケーブルの端末構造1は、超電導ケーブル100に備える超電導導体(超電導導体層112)の端部に電気的に接続される電流リード150を備える。電流リード150は、超電導導体層112の端部との接続部と反対側の端部に、常温環境で利用される常電導機器(図示せず)の常電導導体が電気的に接続される。常電導機器は、保護機器や遮断器等で構成される変電設備、地中ケーブルや架空送電線等の常電導ケーブル等が挙げられる。以下の説明では、各構成部材における超電導ケーブルに近い側をケーブル側、常電導機器に近い側を機器側と呼ぶことがある。
≪全体構成≫
実施形態1に係る超電導ケーブルの端末構造1は、超電導ケーブル100に備える超電導導体(超電導導体層112)の端部に電気的に接続される電流リード150を備える。電流リード150は、超電導導体層112の端部との接続部と反対側の端部に、常温環境で利用される常電導機器(図示せず)の常電導導体が電気的に接続される。常電導機器は、保護機器や遮断器等で構成される変電設備、地中ケーブルや架空送電線等の常電導ケーブル等が挙げられる。以下の説明では、各構成部材における超電導ケーブルに近い側をケーブル側、常電導機器に近い側を機器側と呼ぶことがある。
超電導ケーブルの端末構造1は、超電導導体層112と電流リード150との接続箇所の近傍に、熱絶縁及び電気絶縁を行う複合絶縁構造体2を備える。複合絶縁構造体2は、接地側断熱部10と高電位側断熱部20と電気絶縁部30とを備える。接地側断熱部10は、二重構造の接地側断熱容器12cの内部が真空引きされて構成される真空断熱部12を備える。接地側断熱容器12cは、超電導ケーブル100に備える断熱管120(図2)における機器側の端部に接続され、機器側に延びるように設けられる。高電位側断熱部20は、二重構造の高電位側断熱容器22cの内部が真空引きされて構成される真空断熱部22を備える。高電位側断熱容器22cは、電流リード150におけるケーブル側の端部外周面に接続され、ケーブル側に延びるように設けられる。電気絶縁部30は、接地された断熱管120に接続されて接地電位となる接地側断熱容器12cと、電流リード150に接続されて高電位となる高電位側断熱容器22cとの間の電気的絶縁を確保する。接地側断熱容器12c、高電位側断熱容器22c、及び電気絶縁部30と、超電導ケーブル100のケーブルコア110との間には、冷媒130が充填される。
実施形態1に係る超電導ケーブルの端末構造1は、電流リード150の外周を覆う非真空断熱部4を備える点を特徴の一つとする。本例では、非真空断熱部4は、真空断熱部22を構成する高電位側断熱容器22cの一部を覆って配置される。以下、まず図2を参照して超電導ケーブル100を説明し、次に図1を参照して超電導ケーブルの端末構造1の詳細な構成を説明する。
≪超電導ケーブル≫
超電導ケーブル100は、フォーマ111の外周に設けられた超電導導体層112を有するケーブルコア110と、ケーブルコア110を収納する断熱管120とを備える。この例に示すケーブルコア110は、中心から順にフォーマ111、超電導導体層112、絶縁層113、遮蔽層114、保護層115を同軸状に備える。ここでは、超電導ケーブル100は、1本のケーブルコア110が1つの断熱管120に収納された単心ケーブルであると共に、超電導導体層112と共に絶縁層113が断熱管120に収納されて、双方が冷媒130に冷却される低温絶縁型の超電導ケーブルであるものを例示する。例えば、このような単心ケーブルを3本布設して、各ケーブルを各相の送電に利用する三相交流送電路等を構築することができる。超電導ケーブル100は公知の構成を利用できる。以下に、ケーブルコア110の一例を説明する。
超電導ケーブル100は、フォーマ111の外周に設けられた超電導導体層112を有するケーブルコア110と、ケーブルコア110を収納する断熱管120とを備える。この例に示すケーブルコア110は、中心から順にフォーマ111、超電導導体層112、絶縁層113、遮蔽層114、保護層115を同軸状に備える。ここでは、超電導ケーブル100は、1本のケーブルコア110が1つの断熱管120に収納された単心ケーブルであると共に、超電導導体層112と共に絶縁層113が断熱管120に収納されて、双方が冷媒130に冷却される低温絶縁型の超電導ケーブルであるものを例示する。例えば、このような単心ケーブルを3本布設して、各ケーブルを各相の送電に利用する三相交流送電路等を構築することができる。超電導ケーブル100は公知の構成を利用できる。以下に、ケーブルコア110の一例を説明する。
〔ケーブルコア〕
〈フォーマ〉
フォーマ111は、超電導導体層112を支持する機能を有する。この例のフォーマ111は、金属パイプなどの中空体であり、その内部空間を冷媒130の流路に利用する。冷媒130は、液体窒素等の液体冷媒が代表的である。その他のフォーマ111として、撚線などを用いた中実体などが挙げられる。
〈フォーマ〉
フォーマ111は、超電導導体層112を支持する機能を有する。この例のフォーマ111は、金属パイプなどの中空体であり、その内部空間を冷媒130の流路に利用する。冷媒130は、液体窒素等の液体冷媒が代表的である。その他のフォーマ111として、撚線などを用いた中実体などが挙げられる。
〈超電導導体層〉
超電導導体層112は、フォーマ111の外周に超電導線材を螺旋状に巻回された少なくとも1層の線材層を備える超電導導体である。超電導線材は、例えばBi系銀シース線材やRE123系薄膜線材等の酸化物超電導体を備えるテープ状線材が挙げられる。図1の超電導導体層112は、複数の線材層が積層された例を示す。積層数は適宜変更できる。フォーマ111と超電導導体層112との間には、適宜、クッション層等を設けることができる。
超電導導体層112は、フォーマ111の外周に超電導線材を螺旋状に巻回された少なくとも1層の線材層を備える超電導導体である。超電導線材は、例えばBi系銀シース線材やRE123系薄膜線材等の酸化物超電導体を備えるテープ状線材が挙げられる。図1の超電導導体層112は、複数の線材層が積層された例を示す。積層数は適宜変更できる。フォーマ111と超電導導体層112との間には、適宜、クッション層等を設けることができる。
〈絶縁層〉
絶縁層113は、超電導導体層112とその外部との電気的絶縁を確保する。絶縁層113は、絶縁材からなるテープを超電導導体層112の外周に巻回して積層することで形成される。絶縁材は、例えば、クラフト紙やPPLP(登録商標;Polypropylene Laminated Paper)といった半合成紙等の絶縁紙が挙げられる。
絶縁層113は、超電導導体層112とその外部との電気的絶縁を確保する。絶縁層113は、絶縁材からなるテープを超電導導体層112の外周に巻回して積層することで形成される。絶縁材は、例えば、クラフト紙やPPLP(登録商標;Polypropylene Laminated Paper)といった半合成紙等の絶縁紙が挙げられる。
〈遮蔽層〉
遮蔽層114は、絶縁層113の外周に設けられて電界遮蔽を行う。遮蔽層114は、銅やアルミニウム、金属化紙、金属化カーボンといった常電導材料からなるテープや線材等を巻回することで形成される。
遮蔽層114は、絶縁層113の外周に設けられて電界遮蔽を行う。遮蔽層114は、銅やアルミニウム、金属化紙、金属化カーボンといった常電導材料からなるテープや線材等を巻回することで形成される。
〈保護層〉
保護層115は、ケーブルコア110の最外周に配置され、その内側に配置された部材(特に超電導導体層112)の機械的保護、遮蔽層114と断熱管120との間の電気的絶縁の確保を目的として設けられる。保護層115は、上述の絶縁紙を遮蔽層114の外周に巻回して積層することで形成される。
保護層115は、ケーブルコア110の最外周に配置され、その内側に配置された部材(特に超電導導体層112)の機械的保護、遮蔽層114と断熱管120との間の電気的絶縁の確保を目的として設けられる。保護層115は、上述の絶縁紙を遮蔽層114の外周に巻回して積層することで形成される。
その他、ケーブルコア110は、絶縁層113の外周に外側超電導層(図示せず)を備えることができる。外側超電導層は、上述の超電導線材を螺旋状に巻回して形成することができる。外側超電導層は、例えば、交流送電用途では磁気遮蔽層に利用でき、この場合、遮蔽層114の構成部材とすることができる。
〔断熱管〕
断熱管120は、内管121と外管122とを有する二重構造管であり、内管121と外管122との間の空間を真空断熱層とする断熱管である。内管121の内部空間は、ケーブルコア110の収納空間であると共に、超電導導体層112の超電導状態を維持するための冷媒130が流通される流路(この例では復路)に利用される。内管121及び外管122は、ステンレス鋼等の金属製のコルゲート管等が挙げられる。この例に示す断熱管120は、内管121と外管122との間にスーパーインシュレーション(商品名)等の断熱材(図示せず)を備えており、より高い断熱性を有する。断熱管120の外管122の外側には、ビニルやポリエチレンなどの防食材から構成される防食層124を備える。
断熱管120は、内管121と外管122とを有する二重構造管であり、内管121と外管122との間の空間を真空断熱層とする断熱管である。内管121の内部空間は、ケーブルコア110の収納空間であると共に、超電導導体層112の超電導状態を維持するための冷媒130が流通される流路(この例では復路)に利用される。内管121及び外管122は、ステンレス鋼等の金属製のコルゲート管等が挙げられる。この例に示す断熱管120は、内管121と外管122との間にスーパーインシュレーション(商品名)等の断熱材(図示せず)を備えており、より高い断熱性を有する。断熱管120の外管122の外側には、ビニルやポリエチレンなどの防食材から構成される防食層124を備える。
≪複合絶縁構造体≫
複合絶縁構造体2は、接地側断熱部10(接地側断熱容器12c)と高電位側断熱部20(高電位側断熱容器22c)とが、電気絶縁部30を介して、各容器12c,22cの径方向にオーバーラップして配置されている。本例では、接地側断熱容器12cは、電気絶縁部30よりも径方向外方に位置し、高電位側断熱容器22cは、電気絶縁部30よりも径方向内方に位置する。
複合絶縁構造体2は、接地側断熱部10(接地側断熱容器12c)と高電位側断熱部20(高電位側断熱容器22c)とが、電気絶縁部30を介して、各容器12c,22cの径方向にオーバーラップして配置されている。本例では、接地側断熱容器12cは、電気絶縁部30よりも径方向外方に位置し、高電位側断熱容器22cは、電気絶縁部30よりも径方向内方に位置する。
高電位側断熱容器22cは、冷媒130に露出する部分とは反対側の常温に露出する部分の外周に、碍管200が設けられている。その碍管200の内部には、所定の絶縁性能を満足するように絶縁ガス等が充填され、高電位側断熱容器22cの常温に露出する部分が外気から遮断される。碍管200の各端部にはフランジ部200u,200dが設けられている。高電位側断熱容器22cは、径方向外方に設けられる取付フランジ部22fを介してフランジ部200uにボルト22bにより固定されている。接地側断熱容器12cは、その端部がフランジ部200dに溶接により固定されている。フランジ部200dには、取付台220が取り付けられている。
電気絶縁部30は、高電位側断熱容器22cと一体であり、接地側断熱容器12cとは別体である。複合絶縁構造体2は、接地側断熱容器12cを超電導ケーブル100の断熱管120(図2)に接続し、電気絶縁部30と高電位側断熱容器22cとの一体物を接地側断熱容器12cの機器側の端部の内側に挿入することで構成される。本例では、外側に位置する接地側断熱容器12cの内周面と電気絶縁部30の外周面との間にクリアランスが形成される。このクリアランスが存在しても、クリアランスの沿面方向には、冷媒温度から常温までの温度勾配が形成され、冷媒温度側には液体冷媒が、常温側にはガス化した冷媒が存在し、冷媒130が複合絶縁構造体2の外部に漏洩することはない。
高電位側断熱容器22cは、機器側の端部が碍管200の外方に位置し、電流リード150のケーブル側の端部外周面に接続されている。なお、電流リード150のケーブル側の端部は、高電位側断熱容器22cとの接続部分の径よりも細く、その細径部分で超電導導体層112と接続されている。この細径部分には、外部に開口する冷媒孔が設けられており、フォーマ111の内外に冷媒流路を形成する。フォーマ111の外部とは、接地側断熱容器12c、高電位側断熱容器22c、及び電気絶縁部30と、超電導ケーブル100のケーブルコア110との間である。図1に示す白抜き矢印は、冷媒130の流れ方向の一例を示す。
高電位側断熱部20の高電位側断熱容器22cは、その内部が真空引きされて真空断熱部22を構成する。そのため、高電位側断熱容器22cには、真空ポート22pが設けられている。本例では、真空ポート22pは、高電位側断熱容器22cの機器側の端部から電流リード150の長手方向に沿って延びるように設けられている。
≪非真空断熱部≫
非真空断熱部4は、碍管200の外方に位置する電流リード150と、電流リード150の周辺部材とを一括して覆う。電流リード150の周辺部材とは、非真空断熱部4の形成領域に突出するように配置される突出物であり、真空ポート22p、ガス供給ポート(図示せず)、ボルト22b等である。本例では、非真空断熱部4は、碍管200の外方に位置する高電位側断熱容器22c(高電位側断熱部20を構成する真空断熱部22)の外周にオーバーラップする部分を有する。つまり、非真空断熱部4は、真空断熱部22の一部を覆って配置される。
非真空断熱部4は、碍管200の外方に位置する電流リード150と、電流リード150の周辺部材とを一括して覆う。電流リード150の周辺部材とは、非真空断熱部4の形成領域に突出するように配置される突出物であり、真空ポート22p、ガス供給ポート(図示せず)、ボルト22b等である。本例では、非真空断熱部4は、碍管200の外方に位置する高電位側断熱容器22c(高電位側断熱部20を構成する真空断熱部22)の外周にオーバーラップする部分を有する。つまり、非真空断熱部4は、真空断熱部22の一部を覆って配置される。
非真空断熱部4は、硬化性樹脂により構成される熱絶縁体42を備える。熱絶縁体42は、電流リード150及び上記周辺部材(真空ポート22pやボルト22b等)の外面に沿って密着して設けられる。それは、熱絶縁体42は、熱絶縁体42の形成領域に未硬化の硬化性樹脂が充填されて形成されるため、形成領域が複雑な形状であっても、その形成領域に倣って隙間なく上記硬化性樹脂が充填されるからである。
熱絶縁体42は、固体断熱体である。この固体断熱体を構成する硬化性樹脂は、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂等が挙げられる。硬化性樹脂は、加熱して樹脂を熱硬化させる熱硬化性樹脂、常温に放置して樹脂を硬化させる常温硬化性樹脂、及び比較的低温に放置して樹脂を硬化させる低温硬化性樹脂から選択される少なくとも一種が挙げられる。硬化性樹脂は、単一種でもよいし、複数種を混合してもよい。また、硬化性樹脂は、発泡樹脂を含むことが好ましい。発泡樹脂は、発砲した樹脂が気泡を含んで体積膨張した状態となるため、断熱性能を向上し易い。発泡樹脂としては、ウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリプロピレンフォーム、フェノールフォーム等が挙げられる。
非真空断熱部4(熱絶縁体42)は、電流リード150に沿った長さが1000mm以下であることが挙げられる。非真空断熱部4の上記長さが1000mm以下であることで、輻射熱の影響を受け難く、非真空断熱部4として輻射熱に対する対策を設けなくてもよく、構造を簡素化できる。一方、非真空断熱部4の上記長さが200mm以上であることで、非真空断熱部4における断熱効果を発揮し易い。非真空断熱部4の上記長さは、更に300mm以上、特に500mm以上であることが挙げられる。なお、非真空断熱部4の上記長さが1000mm以下の場合であっても、非真空断熱部4に輻射熱に対する対策を設けてもよい。輻射熱に対する対策については、実施形態2にて詳述する。
非真空断熱部4(熱絶縁体42)は、電流リード150からの厚みが30mm以上200mm以下であることが挙げられる。非真空断熱部4が多層構造で構成される場合、例えば熱絶縁体42を内側熱絶縁体42iと外側熱絶縁体42oの二層構造で構成し、その間に輻射熱シールド部44を介在する場合(後述する実施形態2を参照)、非真空断熱部4の電流リード150からの厚みは、全ての熱絶縁体(内側熱絶縁体42iと外側熱絶縁体42oと輻射熱シールド部44)の厚みの合計とする。非真空断熱部4の上記厚みが30mm以上であることで、非真空断熱部4における断熱効果を発揮し易い。一方、非真空断熱部4の上記厚みが200mm以下であることで、非真空断熱部4の大型化を抑制できる。非真空断熱部4の上記厚みは、更に50mm以上150mm以下、特に50mm以上100mm以下であることが挙げられる。
≪超電導ケーブルの端末構造の製造方法≫
上述した超電導ケーブルの端末構造1は、例えば、ケーブルコア110の端末処理工程と、超電導導体層112と電流リード150との接続工程と、複合絶縁構造体2の形成工程と、非真空断熱部4の形成工程とを備える製造方法によって構築できる。
上述した超電導ケーブルの端末構造1は、例えば、ケーブルコア110の端末処理工程と、超電導導体層112と電流リード150との接続工程と、複合絶縁構造体2の形成工程と、非真空断熱部4の形成工程とを備える製造方法によって構築できる。
〔ケーブルコアの端末処理工程〕
超電導ケーブル100の端部において断熱管120から所定の長さのケーブルコア110を出して段剥ぎをして、フォーマ111、超電導導体層112等を順に露出する。断熱管120は、例えば、その端部を封止部材などで封止して真空断熱層を形成しておく。複合絶縁構造体2とケーブルコア110との間においては、電界が集中し過大にならないようにケーブルコア110の遮蔽層114の端部処理が行われる。図1では、その端部処理として補強絶縁層119を設ける形態が示されている。
超電導ケーブル100の端部において断熱管120から所定の長さのケーブルコア110を出して段剥ぎをして、フォーマ111、超電導導体層112等を順に露出する。断熱管120は、例えば、その端部を封止部材などで封止して真空断熱層を形成しておく。複合絶縁構造体2とケーブルコア110との間においては、電界が集中し過大にならないようにケーブルコア110の遮蔽層114の端部処理が行われる。図1では、その端部処理として補強絶縁層119を設ける形態が示されている。
〔超電導導体層と電流リードとの接続工程〕
電流リード150のケーブル側の端部に形成された冷媒孔にケーブルコア110の端末処理部分を挿入し、超電導導体層112と電流リード150とを接続する。例えば、フォーマ111と電流リード150とを圧縮や半田を用いて接続することが挙げられる。
電流リード150のケーブル側の端部に形成された冷媒孔にケーブルコア110の端末処理部分を挿入し、超電導導体層112と電流リード150とを接続する。例えば、フォーマ111と電流リード150とを圧縮や半田を用いて接続することが挙げられる。
〔複合絶縁構造体の形成工程〕
断熱管120(図2)の機器側の端部に、フランジ部200dを有する接地側断熱容器12cを接続する。高電位側断熱容器22cの端部外周面に電気絶縁部30を一体に成形した一体物を、接地側断熱容器12cの端部の内側に挿入する。このとき、断面L型のリングを用いて、電気絶縁部30をフランジ部200dに固定してもよい。そして、高電位側断熱容器22cの外周を覆うように、碍管200を取り付ける。フランジ部200uを電流リード150及び高電位側断熱容器22cの外周に装着し、取付フランジ部22fを介してフランジ部200uを高電位側断熱容器22cにボルト22bで固定する。
断熱管120(図2)の機器側の端部に、フランジ部200dを有する接地側断熱容器12cを接続する。高電位側断熱容器22cの端部外周面に電気絶縁部30を一体に成形した一体物を、接地側断熱容器12cの端部の内側に挿入する。このとき、断面L型のリングを用いて、電気絶縁部30をフランジ部200dに固定してもよい。そして、高電位側断熱容器22cの外周を覆うように、碍管200を取り付ける。フランジ部200uを電流リード150及び高電位側断熱容器22cの外周に装着し、取付フランジ部22fを介してフランジ部200uを高電位側断熱容器22cにボルト22bで固定する。
上述した超電導導体層112と電流リード150との接続は、断熱管120の機器側の端部に接地側断熱容器12cを接続してから行ってもよい。
〔非真空断熱部の形成工程〕
非真空断熱部4は、成形型を用いて熱絶縁体42を形成する。成形型として、熱絶縁体42(非真空断熱部4)の形成領域に突出するように配置される周辺部材(真空ポート22pやボルト22b等)を内部に収容可能であり、かつ所望の大きさ(電流リード150に沿った長さや電流リード150からの厚み等)の円筒状部材を準備する。成形型は、例えば、塩化ビニル製で、電流リード150の長手方向に沿った分割面を有する二分割の成形型である。
非真空断熱部4は、成形型を用いて熱絶縁体42を形成する。成形型として、熱絶縁体42(非真空断熱部4)の形成領域に突出するように配置される周辺部材(真空ポート22pやボルト22b等)を内部に収容可能であり、かつ所望の大きさ(電流リード150に沿った長さや電流リード150からの厚み等)の円筒状部材を準備する。成形型は、例えば、塩化ビニル製で、電流リード150の長手方向に沿った分割面を有する二分割の成形型である。
上記成形型を電流リード150の外周に間隔をあけて装着し、成形型内に未硬化の硬化性樹脂を注入する。成形型内に注入された硬化性樹脂は、熱絶縁体42の形成領域に倣って成形型内に隙間なく充填される。その後、硬化性樹脂が硬化されると、成形型を取り外す。なお、成形型の構成材料によっては、成形型を取り外さずに、非真空断熱部4として機能させてもよい。
非真空断熱部4が構築できたら、接地側断熱容器12cの内部を真空ポート12pから真空引きして真空断熱部12を構成し、高電位側断熱容器22cの内部を真空ポート22pから真空引きして真空断熱部22を構成する。最後に、フランジ部200dを取付台220に固定する。
≪効果≫
上述した超電導ケーブルの端末構造1は、電流リード150を覆う非真空断熱部4を備えることで、構造の簡略化によって施工性に優れる。また、非真空断熱部4とすることで、断熱容器を金属材料で構成しない、又は断熱容器を省略でき、超電導ケーブル100の負荷時に、断熱容器の表面が高電位となることを抑制できると期待される。
上述した超電導ケーブルの端末構造1は、電流リード150を覆う非真空断熱部4を備えることで、構造の簡略化によって施工性に優れる。また、非真空断熱部4とすることで、断熱容器を金属材料で構成しない、又は断熱容器を省略でき、超電導ケーブル100の負荷時に、断熱容器の表面が高電位となることを抑制できると期待される。
非真空断熱部4が熱硬化性樹脂により構成される熱絶縁体42を備えることで、非真空断熱部4の形成領域が複雑な形状であっても、その形成領域に倣って熱絶縁体42が密に設けられる。熱絶縁体42は、熱絶縁体42の形成領域に未硬化の硬化性樹脂が充填されて形成されるからである。また、熱絶縁体42が未硬化の硬化性樹脂を充填して形成されることで、容易に熱絶縁体42を備える非真空断熱部4を形成でき、構造の簡略化によって施工性に優れる。
特に、非真空断熱部4は、高電位側断熱容器22c(高電位側断熱部20を構成する真空断熱部22)にオーバーラップして設けられるため、超電導ケーブルの端末構造1を小型化し易い。また、非真空断熱部4の電流リード150に沿った長さが1000mm以下であることで、輻射熱に対する対策を設けなくてもよく、構造を簡素化できる。
<実施形態2>
超電導ケーブルの端末構造1は、図3に示すように、非真空断熱部4に、更に、外部からの輻射熱をシールドする輻射熱シールド部44を備えることができる。本例では、熱絶縁体42は、内側熱絶縁体42iと外側熱絶縁体42oの二相構造で構成されており、この内側熱絶縁体42iと外側熱絶縁体42oとの間に輻射熱シールド部44を備える形態を説明する。図3では、実施形態1と同様の機能を有する構成に実施形態1と同一の符号を付している。以下、本実施形態では、実施形態1との相違点を中心に説明する。
超電導ケーブルの端末構造1は、図3に示すように、非真空断熱部4に、更に、外部からの輻射熱をシールドする輻射熱シールド部44を備えることができる。本例では、熱絶縁体42は、内側熱絶縁体42iと外側熱絶縁体42oの二相構造で構成されており、この内側熱絶縁体42iと外側熱絶縁体42oとの間に輻射熱シールド部44を備える形態を説明する。図3では、実施形態1と同様の機能を有する構成に実施形態1と同一の符号を付している。以下、本実施形態では、実施形態1との相違点を中心に説明する。
熱絶縁体42は、電流リード150(本例では、高電位側断熱容器22cの一部を含む)の直上に設けられる内側熱絶縁体42iを備える。内側熱絶縁体42iは、真空ポート22pやボルト22b等の突出した周辺部材を埋設するように配置され、外周面が円筒面等の平滑面で構成される。そうすることで、熱絶縁体42の形成領域における内側熱絶縁体42iの外方に、突出した周辺部材がない状態とでき、内側熱絶縁体42iの外周面の直上に、後述する輻射熱シールド部44を容易に配置することができる。内側熱絶縁体42iは、電流リード150からの厚みを所定値以上とすることで、電気絶縁機能を持たせることができる。また、内側熱絶縁体42iは、電流リード150からの厚みを所定値以上とすることで、内側熱絶縁体42iの外周面の直上に輻射熱シールド部44としてアルミニウム等の金属箔を配置した場合、高電位となる電流リード150に対して内側熱絶縁体42i内の電界分布の均一化が図れ、安定した絶縁性能を持たせることができる。
また、熱絶縁体42は、輻射熱シールド部44の直上に設けられる外側熱絶縁体42oを備える。外側熱絶縁体42oは、非真空断熱部4の外表面を形成する。外側熱絶縁体42oを備えることで、輻射熱シールド部44を保護できる。
輻射熱シールド部44は、外部からの輻射熱をシールドする部材であり、例えば、アルミニウム箔や、ポリエステル等のプラスチックフィルムや紙からなる基材の片面又は両面にアルミニウムを蒸着したり、アルミニウム箔を貼り合せたりした複合シート(代表例、スーパーインシュレーション)等が挙げられる。その他、アルミニウム等の金属箔と、プラスチックからなるメッシュとの積層材を輻射熱シールド部44としてもよい。輻射熱シールド部44は、アルミニウム箔等のシート部材を内側熱絶縁体42iの外周に隙間なく配置して構成される。上述したように、内側熱絶縁体42iの外周面が円筒面等の平滑面であるため、輻射熱シールド部44を内側熱絶縁体42iの外周面に隙間なく巻回することができる。
輻射熱シールド部44を挟んだ内側熱絶縁体42iと外側熱絶縁体42oの二層構造で構成された熱絶縁体42は、径の異なる二つの成形型(第一の成形型と第二の成形型)を用いて形成できる。第一の成形型は、熱絶縁体42(非真空断熱部4)の形成領域に突出するように配置される周辺部材(真空ポート22pやボルト22b等)を内部に収容可能な大きさの円筒状部材であり、内側熱絶縁体42iを形成するものである。第二の成形型は、非真空断熱部4の外表面を形成する大きさの円筒状部材であり、外側熱絶縁体42oを形成するものである。第一の成形型及び第二の成形型は、例えば、塩化ビニル製で、電流リード150の長手方向に沿った分割面を有する二分割の成形型である。
まず、第一の成形型を電流リード150の外周に間隔をあけて装着し、第一の成形型内に未硬化の硬化性樹脂を注入する。第一の成形型内に注入された硬化性樹脂は、内側熱絶縁体42iの形成領域に倣って第一の成形型内に隙間なく充填される。その後、硬化性樹脂が硬化されると、第一の成形型を取り外す。形成された内側熱絶縁体42iの外周に、輻射熱シールド部44を巻回して配置する。第二の成形型を輻射熱シールド部44が巻回された内側熱絶縁体42iの外周に間隔をあけて装着し、第二の成形型内に未硬化の硬化性樹脂を注入する。第二の成形型内に注入された硬化性樹脂は、外側熱絶縁体42oの形成領域に倣って第二の成形型内に隙間なく充填される。その後、硬化性樹脂が硬化されると、第二の成形型を取り外す。そうすることで、電流リード150側から順に、内側熱絶縁体42i、輻射熱シールド部44、外側熱絶縁体42oを備える多層構造の非真空断熱部4が形成される。なお、成形型の構成材料によっては、成形型を取り外さずに、非真空断熱部4として機能させてもよい。
非真空断熱部4に輻射熱シールド部44を備える場合、熱絶縁体42が電流リード150の直上に設けられる内側熱絶縁体42iを備えることで、真空ポート22pやボルト22b等が突出した周辺部材を内側熱絶縁体42iで埋設でき、外周面を円筒面等の平滑面で構成できるため、輻射熱シールド部44を配置し易い。また、熱絶縁体42が、非真空断熱部4の外表面を形成する外側熱絶縁体42oを備えることで、輻射熱シールド部44を保護できる。以上より、非真空断熱部4に輻射熱シールド部44を備える超電導ケーブルの端末構造1は、非真空断熱部4を容易に形成できると共に、輻射熱シールド部44を適切に配置できるため、外部からの輻射熱をシールドでき、断熱性能を向上できる。
非真空断熱部は、熱絶縁体を多層構造とすると共に、輻射熱シールド部も多層構造とすることもできる。例えば、図1の外側熱絶縁体42oの直上に、更に輻射熱シールド部を設けることができる。この輻射熱シールド部の直上に更に熱絶縁体を設けることもできる。
また、非真空断熱部は、電流リードの直上に輻射熱シールド部を設け、この輻射熱シールド部の外周に熱絶縁体を設けることもできる。
更に、非真空断熱部は、電流リードの直上に熱絶縁体を設け、この熱絶縁体の直上に輻射熱シールド部を設け、熱輻射シールド部の直上に熱絶縁体(外側熱絶縁体)を設けないこともできる。この場合、輻射熱シールド部が非真空断熱部の外表面を形成することになるため、輻射熱シールド部の外周には、輻射熱シールド部を保護する保護部材を設けることが好ましい。
1 超電導ケーブルの端末構造
2 複合絶縁構造体
10 接地側断熱部
12 真空断熱部
12c 接地側断熱容器
12p 真空ポート
20 高電位側断熱部
22 真空断熱部
22c 高電位側断熱容器
22f 取付フランジ部
22b ボルト
22p 真空ポート
30 電気絶縁部
4 非真空断熱部
42 熱絶縁体
42i 内側熱絶縁体
42o 外側熱絶縁体
44 輻射熱シールド部
100 超電導ケーブル
110 ケーブルコア
111 フォーマ
112 超電導導体層
113 絶縁層
114 遮蔽層
115 保護層
119 補強絶縁層
120 断熱管
121 内管
122 外管
124 防食層
130 冷媒
150 電流リード
200 碍管
200u,200d フランジ部
220 取付台
2 複合絶縁構造体
10 接地側断熱部
12 真空断熱部
12c 接地側断熱容器
12p 真空ポート
20 高電位側断熱部
22 真空断熱部
22c 高電位側断熱容器
22f 取付フランジ部
22b ボルト
22p 真空ポート
30 電気絶縁部
4 非真空断熱部
42 熱絶縁体
42i 内側熱絶縁体
42o 外側熱絶縁体
44 輻射熱シールド部
100 超電導ケーブル
110 ケーブルコア
111 フォーマ
112 超電導導体層
113 絶縁層
114 遮蔽層
115 保護層
119 補強絶縁層
120 断熱管
121 内管
122 外管
124 防食層
130 冷媒
150 電流リード
200 碍管
200u,200d フランジ部
220 取付台
Claims (9)
- 超電導ケーブルに備える超電導導体の端部に電気的に接続される電流リードと、
前記電流リードと、前記電流リードの周辺部材とを一括して覆う非真空断熱部とを備え、
前記非真空断熱部は、硬化性樹脂により構成され、前記電流リード及び前記周辺部材の外面に沿って密着する熱絶縁体を備える超電導ケーブルの端末構造。 - 前記非真空断熱部の内周にオーバーラップする部分を有し、前記超電導導体の外周を覆う真空断熱部を備える請求項1に記載の超電導ケーブルの端末構造。
- 前記周辺部材は、前記真空断熱部の内部を真空引きするための真空ポートを含む請求項2に記載の超電導ケーブルの端末構造。
- 前記非真空断熱部は、前記電流リードに沿った長さが1000mm以下である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の超電導ケーブルの端末構造。
- 前記硬化性樹脂は、熱硬化性樹脂、常温硬化性樹脂、及び低温硬化性樹脂から選択される少なくとも一種である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の超電導ケーブルの端末構造。
- 前記硬化性樹脂は、発泡樹脂を含む請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の超電導ケーブルの端末構造。
- 前記非真空断熱部は、更に、外部からの輻射熱をシールドする輻射熱シールド部を備える請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の超電導ケーブルの端末構造。
- 前記熱絶縁体は、前記電流リードの直上に設けられる内側熱絶縁体を備え、
前記輻射熱シールド部は、前記内側熱絶縁体の直上に設けられる請求項7に記載の超電導ケーブルの端末構造。 - 前記熱絶縁体は、前記輻射熱シールド部の直上に設けられる外側熱絶縁体を備える請求項7又は請求項8に記載の超電導ケーブルの端末構造。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017151074 | 2017-08-03 | ||
JP2017151074 | 2017-08-03 |
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---|---|
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JP2018067174A Pending JP2019030210A (ja) | 2017-08-03 | 2018-03-30 | 超電導ケーブルの端末構造 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2019030210A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117936185A (zh) * | 2024-03-21 | 2024-04-26 | 西安聚能超导线材科技有限公司 | 一种多通道集束型量子计算机用超导电缆的制备方法 |
-
2018
- 2018-03-30 JP JP2018067174A patent/JP2019030210A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117936185A (zh) * | 2024-03-21 | 2024-04-26 | 西安聚能超导线材科技有限公司 | 一种多通道集束型量子计算机用超导电缆的制备方法 |
CN117936185B (zh) * | 2024-03-21 | 2024-06-07 | 西安聚能超导线材科技有限公司 | 一种多通道集束型量子计算机用超导电缆的制备方法 |
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