WO2017204336A1 - 超伝導ケーブル敷設方法およびフォーマ - Google Patents
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Definitions
- the present invention is based on the priority claim of Japanese patent application: Japanese Patent Application No. 2016-105427 (filed on May 26, 2016), the entire description of which is incorporated herein by reference. Shall.
- the present invention relates to superconducting cable technology, and more particularly to a superconducting cable laying method and former.
- Patent Document 1 includes a wire made of a copper wire, and a former formed by twisting a plurality of wires (formed to be helical at room temperature due to processing strain of the copper wire); It includes a superconducting wire wound around the outer layer of the former via an insulating layer and becomes superconducting when cooled.
- a superconducting cable is disclosed.
- Figure 1 shows an example of a 200m superconducting cable as related technology.
- HTS tape High-Temperature Superconducting tape
- PPLP Polypropylene Laminated Paper
- the former When pulling the superconducting cable into the insulated double pipe, the former is generally pulled.
- a method in which a superconducting cable is sandwiched between soft tires and pushed in may be employed at the same time.
- an example of a method of pulling the former will be described for the sake of simplicity.
- the mechanical behavior of the superconducting cable is determined by the behavior of the former.
- the former is generally a copper twisted wire structure. In the case of a stranded wire structure, residual stress in the twist direction remains. It has been experimentally confirmed that if the superconducting cable is deformed by the residual stress in the twisting direction, the superconducting cable becomes helical. For this reason, the superconducting cable is deformed in a direction in which the residual stress in the twisting direction is relaxed, and as a result, becomes a helical shape.
- FIG. 8 is a diagram schematically showing an example of an operation for drawing the superconducting cable 102 into the straight pipe 101.
- the tensile force F increases as the drawing distance increases.
- FIG. 9 is a diagram for explaining the relationship between the stress distribution in the superconducting cable 102 when the superconducting cable 102 is drawn into the pipe 101 (length L 0 ) in FIG. It is.
- the vertical axis represents the stress ( ⁇ ) of the superconducting cable 102.
- the horizontal axis is the distance (length) for drawing the superconducting cable 102 into the pipe 101.
- L 0 on the horizontal axis is the length of the pipe 101.
- a graph (straight line) connecting the origin and (L 0 , ⁇ 0 ) represents a friction stress. When friction stress is added, friction resistance is obtained.
- Non-Patent Document 2 the description in Non-Patent Document 2 is referred to for the force when the superconducting cable 102 is pulled into the pipe 101.
- the weight of many superconducting cables is 1 kg / m to 5 kg / m.
- the tensile force F becomes a force of 1 ton or more when the superconducting cable length is several hundred meters. This force is applied to the former.
- the length of the superconducting cable that can be drawn is determined by the allowable strength (within elastic deformation) of the former.
- the superconducting cable is cooled before use. Therefore, what happens to the stress when the superconducting cable is cooled is a major issue. That is, the stress is newly generated when the superconducting cable is thermally contracted. If cooling is performed with both ends fixed, thermal stress due to thermal contraction of 0.3% is applied by cooling to the tensile stress remaining when the superconducting cable is pulled in at room temperature. Therefore, a stress exceeding 0.3% is generated in the superconducting cable. This is extremely dangerous. This is because a former material such as copper enters the region of plastic deformation from a strain of 0.3%.
- the superconducting cable is cooled with liquid nitrogen or the like. At this time, one end of the superconducting cable is fixed and the other is a free end.
- FIG. 11 shows the stress distribution when cooling is completed and the entire superconducting cable reaches the same temperature.
- the vertical axis represents stress
- the horizontal axis represents length.
- (1) is the graph of FIG. 10 (stress distribution at room temperature after the superconducting cable is pulled into the pipe)
- (2) is the stress distribution of the superconducting cable at low temperature
- (3) is a graph showing a stress distribution when a superconducting cable having no stress at room temperature is cooled and kept at a low temperature.
- the residual stress is actively used. That is, the residual stress of the superconducting cable former is used to helically deform the superconducting cable at room temperature and become linear at low temperatures, thereby relieving large stress caused by thermal contraction.
- the superconducting cable former is generally made by twisting copper wire. When there is a large residual stress in the former, the superconducting cable is deformed to relax the residual stress. Therefore, the superconducting cable is manufactured so as to eliminate the residual stress of the superconducting cable.
- FIG. 2A shows a plurality of stranded wire structures.
- FIG. 2A illustrates a cross section of a collective stranded wire, a concentric stranded wire, and a rope stranded wire.
- the structure called a concentric twisted wire is common in the twisted wire used for a superconducting cable. When viewed from the outside, as shown in FIG. 2B, this is produced by twisting the strands.
- residual stress is generated by the stranded wire, and the entire former is easily twisted. Therefore, in the concentric stranded wire structure, the twist direction of each layer is reversed so that the entire former is hardly twisted.
- Residual stress in the twisted wire direction varies depending on machining, wire material, pitch, heat treatment, and the like. In order to obtain the necessary deformation of the superconducting cable, these conditions are combined and processing and material selection are performed.
- 3A to 3D are diagrams schematically illustrating a state when a superconducting cable is inserted into a heat insulating double pipe.
- 10 is an insulated double tube outer tube
- 11 is an insulated double tube inner tube
- 12 is a superconducting cable
- 13 is a vacuum layer
- 14 is a vacuum pump
- 15 is a first fixture
- 16 is A refrigerant (liquid nitrogen: LN 2 )
- 17 is a second fixture.
- the heat insulating double pipe outer pipe 10 is made of, for example, a galvanized steel pipe.
- the heat insulating double tube inner tube 11 is made of, for example, a stainless tube.
- a superconducting cable 12 is disposed inside the heat-insulated double pipe inner pipe 11, and a refrigerant (liquid nitrogen) flows therebetween.
- the gap (vacuum layer 13) between the heat insulating double tube outer tube 10 and the heat insulating double tube inner tube 11 is kept in a vacuum, and vacuum heat insulation is performed. Since the vacuum layer 13 has heat intrusion due to radiation, a multilayer heat insulation film (MLI: MultiLayer Insulation) is provided outside the inner tube 11.
- MMI MultiLayer Insulation
- the multilayer heat insulating film is a multilayer film formed by depositing aluminum on a plastic film, for example.
- the vacuum pump 14 which evacuates between the heat insulation double tube outer tube
- pipe 11 vacuum layer 13
- description of patent document 2 grade is also referred, for example.
- a superconducting cable 12 is inserted into the heat insulating double pipe inner tube 11. After confirming that the superconducting cable 12 has sufficiently come out from both ends of the heat insulating double pipe, one end of the superconducting cable 12 is fixed by the first fixture 15. At this time, the other end of the superconducting cable 12 is not fixed.
- the 1st fixing tool 15 may fix the end of the superconducting cable 12 to a heat insulation double tube
- a refrigerant (liquid nitrogen) 16 is introduced into the heat insulating double pipe inner pipe 11.
- the refrigerant (liquid nitrogen) 16 starts to shrink.
- the non-fixed end side of the superconducting cable 12 is drawn into the heat insulating double pipe inner tube 11 side.
- the temperature distribution of the superconducting cable 12 is measured, and the superconducting cable 12 on the non-fixed end side of the superconducting cable 12 (the end opposite to the first fixture 15) is placed inside the heat insulating double pipe. You may make it measure the length and load drawn in by a load cell etc., for example.
- 3D is performed, for example, by introducing a temperature-controlled nitrogen gas into one end of the heat insulating double tube.
- a temperature difference occurs between the inflow side and the exit side of the nitrogen gas in the heat insulating double pipe, and the helical deformation of the superconducting cable 12 may not be uniform in the longitudinal direction.
- the heat flow caused by the nitrogen gas (GN 2 ) 18 introduced into the heat insulating double pipe inner tube 11 does not become uniform in the longitudinal direction of the superconducting cable 12.
- the pitch and amplitude of the helical deformation are not uniform in the longitudinal direction.
- the heat of the nitrogen gas 18 introduced into the heat insulating double pipe (inner pipe 11) is lost as it proceeds in the longitudinal direction.
- the temperature rise in the longitudinal direction intermediate part of the heat insulation double pipe (inner pipe 11) and the discharge side (outlet side) is lower than the nitrogen gas introduction side (inlet side).
- the helical deformation pitch (pitch 1) of the superconducting cable 12 in the vicinity of the carbon dioxide gas introduction side (inlet side) of the heat insulating double pipe is the pitch in the middle part in the longitudinal direction or the outlet side (for example, The amplitude (amplitude 1) of the helical deformation in the vicinity of the inlet side is smaller than the pitch 2), and is larger than the amplitude in the longitudinal direction and the outlet side (for example, amplitude 2).
- the present inventor has experimentally confirmed that a large contraction force is generated in the superconducting cable when it is cooled again after helical deformation.
- the present invention was created in view of the above problems, and one of its purposes is a method of laying so that the helical deformation at the time of temperature rise is uniform in the longitudinal direction of the superconducting cable, and To provide a former.
- Other objects and effects of the present invention will be apparent to those skilled in the art from the following description.
- a method for uniformly heating a superconducting cable which is linear when cooled and deforms in a helical shape when heated, over the entire superconducting cable when the temperature is raised.
- the former has a twisted wire structure, the outermost layer and the next layer have the same twisted wire direction, and stable helical deformation at the time of temperature rise of the superconducting cable including the former is stable.
- a former that can be made available is provided.
- a superconducting cable having the former is provided.
- the present invention it is possible to make the helical deformation of the superconductive cable uniform in the longitudinal direction when the temperature rises.
- a former and a superconducting cable including the former that can stabilize helical deformation at the time of temperature rise of the superconducting cable are provided.
- Cable stress (residual stress) distribution when holding at low temperature cable stress (residual stress) distribution when cooling a cable with zero stress (zero) at room temperature and holding at low temperature, the force acting on the cable after being pulled into the pipe
- the temperature of the superconducting cable that is linear during cooling is uniformly raised throughout the entire surface, so that the helical deformation becomes uniform in the longitudinal direction of the superconducting cable.
- the temperature may be raised with both ends of the superconducting cable fixed.
- a heat insulating double tube having an inner tube that accommodates a superconducting cable and an outer tube that accommodates the inner tube is evacuated, and the superconducting cable is inserted into the inner tube at room temperature.
- one end protruding from the inner tube end of the heat insulating double tube may be fixed, and the other end may be a free end, cooled to a temperature at which a superconducting state is achieved, and both ends of the superconducting cable fixed.
- the heat insulation performance is lowered by lowering the degree of vacuum between the inner pipe and the outer pipe of the heat-insulated double pipe that is evacuated by a vacuum pump, so that the temperature is increased uniformly over at least the longitudinal direction of the superconducting cable. May be.
- a vacuum pump a vacuum pump
- the degree of vacuum is not lowered, if a long time is taken, heat enters the heat insulating double pipe almost uniformly.
- the fixing of the one end is loosened, and the superconducting is started from the one end side where the fixing is loosened. You may make it push a cable in the heat insulation double pipe inner pipe side.
- the superconducting cable when one end and the other end of the superconducting cable are respectively fixed, the superconducting cable may be fixed to the heat insulating double tube by a fixing tool.
- the twisted wire structure of the former shown in FIG. 2B has the same twisting direction in the outermost layer and the next layer, and stabilizes the helical deformation when the temperature of the superconducting cable is increased.
- a former is provided.
- a superconducting cable comprising the former.
- a heat-insulating double pipe having a heat-insulating double-pipe inner pipe 11 that accommodates the superconducting cable 12 and a heat-insulating double-pipe outer pipe 10 that accommodates the heat-insulating double-pipe inner pipe 11 is evacuated and insulated at room temperature.
- the superconducting cable 12 is inserted into the inner tube 11, one end protruding from the end of the heat insulating double tube inner tube 11 is fixed, and the other end is set as a free end and cooled to a temperature at which it becomes a superconducting state (liquid nitrogen temperature: 77 K). After that, the free end of the superconducting cable 12 is fixed (thus fixing both ends).
- a temperature-controlled nitrogen gas is allowed to flow from one end of the heat insulating double tube in order to make the helical deformation of the superconducting cable uniform in the longitudinal direction in the temperature raising step of FIG. 3D. Do not do.
- nitrogen gas is not supplied and a long period of time is applied, as schematically shown in FIG. 5, heat flows from the entire heat insulating double tube, and the temperature rises almost uniformly in the longitudinal direction of the superconducting cable 12.
- the degree of vacuum of the vacuum layer 13 which is a gap between the heat insulating double tube inner tube 11 and the heat insulating double tube outer tube 10 accommodating the superconducting cable 12 may be lowered.
- the heat insulation performance of the heat insulating double pipe is lowered.
- the temperature of the superconducting cable 12 inserted into the heat insulating double pipe is raised in a shorter time. That is, heat flows into the entire heat insulating double pipe inner tube 11 and the temperature rises almost uniformly in the longitudinal direction of the superconducting cable 12. Thereby, the helical deformation (pitch and amplitude) becomes uniform in the longitudinal direction of the superconducting cable 12.
- the fixing end (the end connected to the first fixing tool 15) is temporarily fixed.
- the superconducting cable 12 is pushed into the heat insulating double pipe inner tube 11 from the loosened side.
- the superconducting cable 12 is pushed into the heat insulating double pipe inner tube 11 from the fixed end side where the fixing is loosened, and remains after the superconductive cable 12 is drawn into the heat insulating double pipe inner tube 11 and cooled. This is to reduce the stress.
- F ′ may be set to F ′> F, and the tensile force on the fixed end side of the superconducting cable 12 may be set to zero or less (F ⁇ F ′ ⁇ 0).
- the superconducting cable 12 is pushed into the heat insulating double pipe inner tube 11 to thereby end the end.
- the stress at the portion can be made zero.
- both ends of the superconducting cable 12 are fixed to a heat insulating double tube, and the temperature is raised. As a result, the superconducting cable 12 undergoes helical deformation.
- the pushing force F of the superconducting cable 12 may be slightly increased so that the superconducting cable 12 is pushed more into the heat insulating double pipe inner tube 11. Then, as for the superconducting cable 12 whole, stress is relieved more. However, care should be taken because the pushing force at the end of the superconducting cable 12 increases when the temperature rises.
- the expansion and contraction of the superconducting cable 12 is absorbed by an elastic member, a mounting fixture with a slide function, or the like.
- the thermal stress in the vertical direction may be relaxed.
- both ends of the superconducting cable 12 are fixed and held as shown in FIG. 7A.
- the superconducting cable 12 is stored in a helical deformation state. In connection work or the like at the end of the superconducting cable 12, the end portion is processed. That is, at the time of work such as connection of the superconducting cable 12, if the superconducting cable 12 moves, the work cannot be performed smoothly, and as a result, work efficiency may be significantly reduced.
- the vicinity of the end portion of the superconducting cable 12 is fixed to a heat insulating double pipe or the like by, for example, the second fixture 17 to suppress the movement of the superconducting cable 12. That is, at the time of work such as connection of the superconducting cable 12, if the superconducting cable moves, the work progresses. For this reason, the state (pitch and amplitude) of the helical deformation of the superconducting cable 12 does not collapse by holding the vicinity of the end of the superconducting cable 12.
- the second fixing member 17 is fixed to the heat insulating double tube (outer tube 10), but may be fixed to other locations.
- the twist direction of each layer is reversed so that the entire former is hardly twisted.
- the outermost layer and the next layer are formed.
- the twisting direction is the same. This stabilizes the twisting direction (leading to helical deformation).
- the radiation shield may be configured by combining a plurality of annular members (aluminum extruded materials), for example, and a multilayer heat insulating film (MLI) may be wound thereon.
- Patent Documents 1-3 and Non-Patent Documents 1 and 2 are incorporated herein by reference.
- the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept.
- Various combinations or selections of various disclosed elements are possible within the scope of the claims of the present invention. . That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea.
Landscapes
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
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Abstract
昇温時のヘリカル変形が超伝導ケーブルの長手方向で均一となるように敷設する超伝導ケーブルの敷設方法およびフォーマの提供。冷却時に直線状とされ昇温時にヘリカル状に変形する超伝導ケーブルを、昇温時に、超伝導ケーブ全体にわたって均一に昇温させる。撚線構造のフォーマは、最外層と次の層の撚線方向を同じ方向とし、前記フォーマを含む超伝導ケーブルの昇温時のヘリカル変形を安定化可能としている。
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2016-105427号(2016年5月26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、超伝導ケーブル技術に関し、特に超伝導ケーブル敷設方法およびフォーマに関する。
本発明は、日本国特許出願:特願2016-105427号(2016年5月26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、超伝導ケーブル技術に関し、特に超伝導ケーブル敷設方法およびフォーマに関する。
超伝導ケーブルは常温から液体窒素温度に冷却する際に約0.3%の熱収縮が生じることが知られている。超伝導ケーブルが長尺になるほど、熱収縮は大きな問題となる。例えばケーブル長が500mの場合、熱収縮は1.5mとなり、冷却時の破断、昇温時の座屈等による損傷、破壊等の可能性がある。本件出願人(中部大学)の200m実験設備において、冷却・昇温時のケーブル挙動のX線写真の解析等を行っている(非特許文献1参照)。超伝導ケーブルのヘリカル変形についてその概略を説明しておく(特許文献1の記載と一部重なる)。特許文献1には、銅素線からなるワイヤを含み、複数のワイヤを撚り合わせてなるフォーマ(former)(銅素線の加工歪みによって常温ではヘリカル状になるように形成されている)と、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開示されている。
図1に、関連技術として、200m超伝導ケーブルの一例を示す。HTSテープ(High-Temperature Superconducting tape)線材が3層あり、内側の2層と外側の1層で同軸形状をなしている。中心には、フォーマ(Former)(銅の撚線の巻芯)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方法が一般的である。他には、超伝導ケーブルを柔らかいタイヤ等で挟んで押し込む方法も同時に採られることもある。以下では、説明の簡単のために、フォーマを引っ張る方法の一例について説明する。
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。フォーマは銅の撚線構造が一般的である。撚線構造であれば、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実験的に確認されている。このため、捻れ方向の残留応力が緩和する方向に超伝導ケーブルは変形し、その結果としてヘリカル状となる。
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とが望ましい。また、低温では超伝導ケーブル内部に残留応力がないことが望まれる。これは応力によって臨界電流が低下する恐れがあるためである。しかしながら、超伝導ケーブルを断熱2重管に引き込むために、超伝導ケーブルに残留応力が残ることは一般的である。そして、低温に冷却することによって、部分的に、この残留応力は緩和される。これについて以下に説明する。
図8は、直線状の配管101に超伝導ケーブル102を引き込む操作の一例を模式的に示した図である。図8に示す例では、配管101の表面と超伝導ケーブル102の表面で摩擦があるため、引き込む距離が長くなるに従って、引張力Fは大きくなっていく。
図9は、図8における配管101(長さL0)への超伝導ケーブル102の引き込み時における超伝導ケーブル102での応力の分布と、超伝導ケーブル102を引き込む距離との関係を説明する図である。図9において、縦軸は、超伝導ケーブル102の応力(σ)である。横軸は超伝導ケーブル102を配管101内に引き込む距離(長さ)である。横軸のL0は配管101の長さである。原点と(L0、σ0)を結ぶグラフ(直線)は、摩擦応力(friction stress)を表している。摩擦応力(friction stress)を足し合わせると摩擦抵抗となる。超伝導ケーブル102を引張力Fで引っ張る側(長さL0)では大きな応力(σ0)となる。一方、配管101に導入される側(長さ=0)では引張力Fがゼロであるため、応力σもゼロになっている。なお、図9は、実験的にも確認されている。
また、実験での計測により、超伝導ケーブル102とステンレス配管101の摩擦係数は0.3~0.7程度であることが分かっている。長さに比例して応力が大きくなるのは、摩擦係数が、超伝導ケーブル102の長さ方向に一様であることを示している。これも、実験的な事実である。但し、配管101等に曲がり部があると、引張力Fは急激に大きくなる。
なお、上記した超伝導ケーブル102を配管101に引き込むときの力については、例えば非特許文献2等の記載が参照される。
また、多くの超伝導ケーブルの重量は1kg/m~5kg/mである。このため、引張力Fは、超伝導ケーブル長が数百mの場合、1トン以上の力になる。この力は、フォーマにかかる。このため、フォーマの許容強度(弾性変形内)で引き込むことができる超伝導ケーブル長が決まる。
超伝導ケーブル102を配管101に引き込んだ後、引張力Fをゼロにするので(=引っ張りをやめる)、超伝導ケーブル102は縮む。したがって、超伝導ケーブル102の応力も減少し、端部ではゼロになる。
しかし、超伝導ケーブル102において、摩擦力に応じた応力は残る。このため、図10に示すように、超伝導ケーブル102の応力分布は、配管101の長手方向の中心部(=L0/2)で最大値(残留応力=σ0/2)を示し、両端でゼロになる分布となる。この状態が、一般に、銅ケーブルなどを、配管内に引き込んだときのケーブルに印加される残留応力分布である。
一方、超伝導ケーブルは冷却して利用する。したがって、超伝導ケーブルを冷却した時の応力がどうなるかが大きな課題である。すなわち、超伝導ケーブルが熱収縮することによって、応力が新たに発生するからである。両端を固定した状態で冷却を行うと、常温時に超伝導ケーブルを引き込んだときに残ったこの引張応力に冷却する事によって0.3%の熱収縮が起こることによる熱応力が加わることになるため、0.3%を越した応力が超伝導ケーブルに発生することになる。これは極めて危険である。それは、銅などのフォーマ材料は0.3%を割る歪みから塑性変形の領域に入るからである。
ところで、超伝導ケーブルのヘリカル変形の次のステップでは、超伝導ケーブルを液体窒素などで冷却する。この時、超伝導ケーブルの一端を固定し、他方は自由端にする。
すると、冷却によって超伝導ケーブルの長さは短くなるので、超伝導ケーブルは自由端側から配管内に引き込まれる。
そして、冷却が完了し、超伝導ケーブル全体が同じ温度になったときの応力分布を、図11に示す。図11において、縦軸は応力、横軸は長さである。図11のグラフのうち、(1)は、図10のグラフ(超伝導ケーブルを配管に引き込んだ後の常温での応力分布)、(2)は、低温保持時の超伝導ケーブルの応力分布、(3)は常温で応力0の超伝導ケーブルを冷却し、低温に保持したときの応力分布を示すグラフである。
図11に示す例は、超伝導ケーブルの配管内への引き込み時に、残留応力と超伝導ケーブルの応力がゼロである時に冷却し、超伝導ケーブルが自由端から引き込まれたときの応力分布(これは、図9に対応する分布になるが、引き込むため力の方向が反対になり、応力は負値で示している)の和になる。
なお、図11では、グラフ(2)に示すように、自由端側から超伝導ケーブル半分は応力がゼロになる。これは、低温時に超伝導ケーブルに応力が働かないことを意味するため、理想的な状態である。
図11に示したように、超伝導ケーブルの左側半分の応力は残留しており(この例では固定端側)、その最大値はケーブル102を引き込んだときの応力の最大値(=―σ0)になっている。したがって、この応力を緩和することが望ましい(本願発明者の知見)。
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。これはX線撮影で確認されている。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を常温でヘリカル変形させ、低温では直線状になることによって熱収縮に伴う大きな応力を緩和する。
超伝導ケーブルのフォーマは銅素線を撚って作成されることが一般的である。フォーマに大きな残留応力があると、超伝導ケーブルはその残留応力を緩和するように変形する。そこで、超伝導ケーブルの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2Aに、複数の撚線構造を示す。図2Aには、集合撚線、同心撚線、ロープ撚線の断面が例示されている。なお、超伝導ケーブルに使われる撚線は、同心撚線と言われる構造が一般的である。これは外から見ると、図2Bに示すように、素線を捻じって作製されている。一般には、撚線によって残留応力が発生し、フォーマ全体が捻れやすくなるので、同心撚線構造では、各層毎の撚り方向を反転させ、フォーマ全体としては捻れにくく作る。
しかし、昇温過程でヘリカル変形をさせるためには、最外層と次の層の撚り方向を同じにしている。これによって、捻れる方向(ヘリカル変形につながる)が安定する。このことは、本願発明者が、複数の実験で確認している。
撚線方向の残留応力は、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。
次に、超伝導ケーブルの敷設方法について特許文献1の記載に基づき説明する。図3A乃至図3Dは、超伝導ケーブルを断熱2重管に挿入したときの状態を模式的に例示する図である。図3A乃至図3Dにおいて、10は断熱2重管外管、11は断熱2重管内管、12は超伝導ケーブル、13は真空層、14は真空ポンプ、15は第1の固定具、16は冷媒(液体窒素:LN2)、17は第2の固定具である。
特に制限されないが、断熱2重管外管10は例えば亜鉛メッキ鋼管等で作られている。断熱2重管内管11は例えばステンレス管からなる。断熱2重管内管11の内部に超伝導ケーブル12が配設され、その間に冷媒(液体窒素)が流れる。断熱2重管外管10と断熱2重管内管11の間の間隙(真空層13)は、真空に機密され、真空断熱が行われる。なお、真空層13は輻射による熱侵入があるため、内管11の外側に多層断熱膜(MLI:MultiLayer Insulation)を備える。多層断熱膜(MLI)は、例えばプラスチック・フィルムにアルミが蒸着された膜を多層としたものである。図3A乃至図3Dにおいて、断熱2重管外管10と断熱2重管内管11の間(真空層13)を真空排気する真空ポンプ14は、断熱2重管の両端部に配置されているが、さらに中間部に配置する構成としてもよい。なお、断熱2重管の構成については、例えば特許文献2等の記載も参照される。
<工程A(図3A)>
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(真空層13を真空排気する)、断熱2重管の断熱性能を確認する。断熱2重管内管11に、超伝導ケーブル12を引き込む。
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(真空層13を真空排気する)、断熱2重管の断熱性能を確認する。断熱2重管内管11に、超伝導ケーブル12を引き込む。
<工程B(図3B)>
超伝導ケーブル12が断熱2重管内管11に挿入される。断熱2重管の両端から十分に超伝導ケーブル12が出ていることを確認して、超伝導ケーブル12の一端を第1の固定具15で固定する。このとき、超伝導ケーブル12の他端は固定しない。なお、第1の固定具15は、超伝導ケーブル12の一端を断熱2重管に固定するものであってもよい。
超伝導ケーブル12が断熱2重管内管11に挿入される。断熱2重管の両端から十分に超伝導ケーブル12が出ていることを確認して、超伝導ケーブル12の一端を第1の固定具15で固定する。このとき、超伝導ケーブル12の他端は固定しない。なお、第1の固定具15は、超伝導ケーブル12の一端を断熱2重管に固定するものであってもよい。
続いて、断熱2重管内管11に冷媒(液体窒素)16を導入する。なお、断熱2重管の長手方向の中心部の冷媒導入口から断熱2重管内管11に冷媒(液体窒素)16を導入するようにしてもよい(特許文献1)。冷媒(液体窒素)16の導入により、超伝導ケーブル12は熱収縮を開始する。超伝導ケーブル12の非固定端側は、断熱2重管内管11側に引き込まれる。この時、超伝導ケーブル12の温度分布の測定を行うとともに、超伝導ケーブル12の非固定端側(第1の固定具15と反対側の端部)の超伝導ケーブル12が、断熱2重管内に引込まれる長さ及び荷重を、例えばロード・セル等で測定するようにしてもよい。
<工程C(図3C)>
超伝導ケーブル12が全長にわたり、超伝導状態となる温度(液体窒素温度:77K)になったことを確認した後、超伝導ケーブル12の非固定端側を第2の固定具17に固定する。第2の固定具17は、超伝導ケーブル12の非固定端を、断熱2重管に固定するものであってもよい。これによって、超伝導ケーブル12の両端が固定される。この時、超伝導ケーブル12の状態をX線写真等で確認するようにしてもよい。
超伝導ケーブル12が全長にわたり、超伝導状態となる温度(液体窒素温度:77K)になったことを確認した後、超伝導ケーブル12の非固定端側を第2の固定具17に固定する。第2の固定具17は、超伝導ケーブル12の非固定端を、断熱2重管に固定するものであってもよい。これによって、超伝導ケーブル12の両端が固定される。この時、超伝導ケーブル12の状態をX線写真等で確認するようにしてもよい。
<工程D(図3D)>
昇温を開始する。昇温により超伝導ケーブル12は長手方向に伸びようとするが、両端が第1の固定具15、第2の固定具17で固定されている。このため、超伝導ケーブル12ではフォーマがヘリカル変形する。昇温の完了後、超伝導ケーブルの状態をX線写真等で確認するようにしてもよい。
昇温を開始する。昇温により超伝導ケーブル12は長手方向に伸びようとするが、両端が第1の固定具15、第2の固定具17で固定されている。このため、超伝導ケーブル12ではフォーマがヘリカル変形する。昇温の完了後、超伝導ケーブルの状態をX線写真等で確認するようにしてもよい。
1B-a06 石狩での超伝導直流送電実証研究について Demonstration studies of high-temperature superconducting DC power transmission system at Ishikari、筑本知子、渡邉裕文、浜辺 誠、ユーリ・イワノフ、高野廣久、山口作太郎、第90回、2014年度秋季低温工学・超伝導学会、2016年3月25日検索、インターネット<URL:http://csj.or.jp/conference/2014a/1B.pdf>
飯塚喜八郎監修「新版電力ケーブル技術ハンドブック」(株)電気書院 2013年発行第2版p 342-p.343
図3Dの昇温工程は、例えば、温度制御した窒素ガスを、断熱2重管に一端から導入することによって行う。この場合、図3Dの昇温工程において、断熱2重管の窒素ガスの流入側と出口側での温度差が生じ、超伝導ケーブル12のヘリカル変形が長手方向で均一にならない場合が生じる。
これは、例えば図4に示すように、昇温時に、断熱2重管内管11に導入される窒素ガス(GN2)18による熱の流れが、超伝導ケーブル12の長手方向で均一とはならず、ヘリカル変形のピッチ及び振幅が、長手方向で不均一となることが実験的に分かっている。例えば、断熱2重管(内管11)の導入された窒素ガス18の熱は、長手方向に進むにしたがい失われていく。このため、断熱2重管(内管11)の長手方向中間部や排出側(出口側)での温度の上昇は窒素ガス導入側(入口側)よりも低い。
図4の例では、断熱2重管の炭酸ガスの導入側(入口側)付近での超伝導ケーブル12のヘリカル変形のピッチ(ピッチ1)は、長手方向の中間部や出口側のピッチ(例えばピッチ2)よりも小さく、入口側付近でのヘリカル変形の振幅(振幅1)は、長手方向の中間部や出口側の振幅(例えば振幅2)よりも大きい。このように、超伝導ケーブル12のヘリカル変形が長手方向に不均一である場合、冷却時に、十分に熱収縮を吸収できない場合が生じる(以上、本発明者による知見)。例えば、ヘリカル変形後に再度冷却したときに、超伝導ケーブルに大きな収縮力が発生することを、本願発明者は、実験的に確認している。
したがって、本発明は、上記課題に鑑みて創案されたものであって、その目的の一つは、昇温時のヘリカル変形が、超伝導ケーブルの長手方向で均一となるように敷設する方法およびフォーマを提供することにある。本発明の上記以外の目的や効果等は、以下の記載から当業者には明らかであろう。
本発明の1つの側面によれば、冷却時に直線状とされ昇温時にヘリカル状に変形する超伝導ケーブルを、昇温時に、超伝導ケーブル全体にわたって均一に昇温させる方法が提供される。
本発明の1つの側面によれば、撚線構造のフォーマであって、最外層と次の層の撚線方向を同じ方向とし、前記フォーマを含む超伝導ケーブルの昇温時のヘリカル変形を安定化可能としてなるフォーマが提供される。本発明の1つの側面によれば、前記フォーマを備えた超伝導ケーブルが提供される。
本発明によれば、超伝導ケーブルの昇温時のヘリカル変形を長手方向に均一化させることを可能としている。また、本発明によれば、超伝導ケーブルの昇温時のヘリカル変形を安定化可能としてなるフォーマおよびフォーマを備えた超伝導ケーブルが提供される。
はじめに本発明の基本概念を説明し、つづいて例示的な実施形態について説明する。
本発明の一形態によれば、冷却時に直線状とされた超伝導ケーブルを、全体にわたって均一に昇温させることで、ヘリカル変形が超伝導ケーブルの長手方向に均一とするものである。
本発明の一形態において、超伝導ケーブルの両端を固定した状態で昇温するようにしてもよい。
本発明の一形態において、超伝導ケーブルを収容する内管と、該内管と収容する外管とを有する断熱2重管を真空排気し、常温にて、内管に超伝導ケーブルを挿入し、断熱2重管の内管端部から突出した一端を固定し、他端は自由端として、超伝導状態となる温度まで冷却し超伝導ケーブルの両端を固定するようにしてもよい。
本発明の一形態において、昇温時には、昇温用のガスを断熱2重管内に流さずに断熱2重管全体から熱が流入し超伝導ケーブルの長手方向にわたって均一に昇温が行われるようにしてもよい。
本発明の一形態において、真空ポンプで真空排気される断熱2重管内管と外管の間隙の真空度を下げることで断熱性能を下げ超伝導ケーブルの少なくとも長手方向にわたって均一に昇温するようにしてもよい。また他の方法としては、真空度を下げなくても、長時間をかければ、断熱2重管に熱がほぼ均一に入ってくる。
本発明の一形態において、超伝導ケーブルの一端を固定し、他端を自由端として超伝導状態となる温度まで冷却したら、前記一端の固定を緩め、前記固定を緩めた一端側から、超伝導ケーブルを断熱2重管内管側に押し込むようにしてもよい。
本発明の一形態において、超伝導ケーブルの一端と、他端をそれぞれ固定する場合、それぞれ固定具にて断熱2重管に固定するようにしてもよい。
本発明の一形態によれば、図2Bに示したフォーマの撚線構造について、最外層と次の層の撚線方向を同じ方向とし、超伝導ケーブルの昇温時にヘリカル変形を安定化してなるフォーマが提供される。また、該フォーマを備えた超伝導ケーブルが提供される。
(実施形態)
本発明の一実施形態の敷設方法において、昇温工程以前の工程は、前述した図3Aから図3Cまでの工程を用いてもよい。超伝導ケーブル12を収容する断熱2重管内管11と、断熱2重管内管11を収容する断熱2重管外管10とを有する断熱2重管を真空排気し、常温にて、断熱2重管内管11に超伝導ケーブル12を挿入し、断熱2重管内管11端部から突出した一端を固定し、他端は自由端として、超伝導状態となる温度(液体窒素温度:77K)まで冷却した上で超伝導ケーブル12の自由端を固定する(したがって両端を固定する)。
本発明の一実施形態の敷設方法において、昇温工程以前の工程は、前述した図3Aから図3Cまでの工程を用いてもよい。超伝導ケーブル12を収容する断熱2重管内管11と、断熱2重管内管11を収容する断熱2重管外管10とを有する断熱2重管を真空排気し、常温にて、断熱2重管内管11に超伝導ケーブル12を挿入し、断熱2重管内管11端部から突出した一端を固定し、他端は自由端として、超伝導状態となる温度(液体窒素温度:77K)まで冷却した上で超伝導ケーブル12の自由端を固定する(したがって両端を固定する)。
本発明の一実施形態では、図3Dの昇温工程において、超伝導ケーブルのヘリカル変形が長手方向で均一となるようにするため、温度制御した窒素ガスを、断熱2重管の一端から流すことは行わない。窒素ガスを流さず、長時間をかけると、図5に模式的に示すように、断熱2重管全体から熱が流入し、超伝導ケーブル12の長手方向にほぼ均一に温度が上昇する。
さらに、超伝導ケーブル12を収容している断熱2重管内管11と断熱2重管外管10の間の間隙である真空層13の真空度を下げるようにしてもよい。この結果、断熱2重管の断熱性能が下がる。断熱2重管の断熱性能が下がると、断熱2重管内に挿入された超伝導ケーブル12は、より短時間で昇温する。すなわち、断熱2重管内管11全体に熱が流入し、超伝導ケーブル12の長手方向にほぼ均一に温度が上昇する。これによって、ヘリカル変形(ピッチ及び振幅)が超伝導ケーブル12の長手方向に均一になる。
図3Bの冷却工程において、断熱2重管内管11への冷媒(液体窒素)の導入時、超伝導ケーブル12の固定端(図3Bの第1の固定具15で固定された端部)には、収縮により、引張力(引張応力)Fが発生する。図3Bにおいて、超伝導ケーブル12の他端は固定していないので(自由端)、引張力はゼロである。このため、図6に模式的に示すように、超伝導ケーブル12に、長さ方向の熱応力が発生する。
本実施形態では、冷却時の超伝導ケーブル12に発生する熱応力を緩和するために、例えば、冷却最低温度に到達したら固定端(第1の固定具15に接続する端部)の固定を一旦緩め、固定を緩めた側から、超伝導ケーブル12を断熱2重管内管11内に押し込むようにする。
このように、固定を緩めた固定端側から超伝導ケーブル12を断熱2重管内管11内に押し込むのは、超伝導ケーブル12を断熱2重管内管11内に引き込み、冷却した後に残っている応力を減少させるためである。
このときの押圧力:F’を、F’>Fとし、超伝導ケーブル12の固定端側の引張力をゼロ以下にするようにしてもよい(F-F’<0)。
固定を緩めた一端(固定端)側から超伝導ケーブル12を断熱2重管内管11内に押し込む理由について以下に説明する。
前述したように、図11のグラフ(2)において、超伝導ケーブル12の左側半分(X(長さ)=0~L0/2)の応力は残留しており、その最大値は端部(X(長さ)=0)において、超伝導ケーブル12を引き込んだときの応力の値(=―σ0)になっている。したがって、この応力を緩和することが望ましい。
このためには、冷却低温時に超伝導ケーブル12の固定端側(図6の固定端15)を外して、自由端としてから、超伝導ケーブルを断熱2重管内管11内に押し込むことによって、端部(図6の端部)での応力をゼロにすることができる。
但し、図11のグラフ(2)に示すように、超伝導ケーブル12の応力が負値であるため、実際には、力を外部から与えなくても引き込まれる状況である。これは、技術的には簡単ではない。それは、超伝導ケーブル12も、配管(断熱2重管内管11)も、液体窒素温度で冷えている状況で作業を行うためである。
更に、超伝導ケーブル12を押し込みすぎることも不可である。そこで、この作業は押込力Fをロード・セルでモニタしながら行う必要がある。
このため、配管に取り付ける治具を工夫し、押し込み作業を行う。その結果、超伝導ケーブル12の残留応力分布として、図12の(2)に示すような分布を得ることができる。図12のグラフ(2)では、端部(X(長さ)=0)の応力がゼロになっている。但し、端部でゼロであっても、摩擦力があるためケーブル全体としてはゼロにはならない。しかし、最大応力としてはケーブル中間部に配管に引き込んだ後の応力が残ることを意味し、全体として0.3%に対応する応力より大幅に緩和できることになる。
上記作業を終了後、超伝導ケーブル12の両端を断熱2重管に固定し、昇温する。これによって、超伝導ケーブル12はヘリカル変形をする。
図12の例では、固定端(X(長さ)=0)での応力をゼロ、つまり配管(断熱2重管内管11)内への超伝導ケーブル12の押込力Fをゼロにしたときの分布を示している。なお、図12のグラフ(2)は、低温保持時の超伝導ケーブル12の固定端側を押し込んだときの応力分布、グラフ(1)は、配管(断熱2重管内管11)に引き込んだ後に超伝導ケーブル12に働く力をゼロにしたときのケーブルの応力(残留応力)分布(図10)を示す図である。
超伝導ケーブル12の押込力Fを少し大きくして超伝導ケーブル12を断熱2重管内管11内部に、より多く押し込むようにしても良い。すると、超伝導ケーブル12全体としては、より応力が緩和される。但し、昇温時に、超伝導ケーブル12の端部の押出力が大きくなるので、注意が必要である。
なお、第1の固定具15については、例えば特許文献3に記載されるように超伝導ケーブル12の伸縮を弾性部材、又は、スライド機能付き取付固定金具等で吸収し、超伝導ケーブル12の長さ方向の熱応力を緩和させるようにしてもよい。また、昇温時の、超伝導ケーブル12の伸びを移動式端末クライオスタットで吸収するようにしてもよい(特許文献1参照)。
低温から常温への昇温によるヘリカル変形作業が終了した後、図7Aに示すように、超伝導ケーブル12の両端を固定して保持する。
これは、この様な機械的な変形は摩擦などのプロセスを伴っているため、必ずしも変形は安定ではないことによる。
実際、超伝導ケーブル12を冷却と昇温を複数回行うと、毎回少し変化する。実験的には、超伝導ケーブル12を冷却と昇温を4回程度行うと、常温時と低温時のケーブル形状は割に安定するようである。
しかし、摩擦が伴うために超伝導ケーブルのような長尺構造物では完全な再現性は原理的にあり得ない。
ヘリカル変形状態で超伝導ケーブル12が保管される。超伝導ケーブル12の端での接続工事等では、端部の加工が行われる。すなわち、超伝導ケーブル12の接続などの作業時には、超伝導ケーブル12が動くと作業が円滑に行えず、その結果、作業効率が著しく低下するという場合もあり得る。
そこで、図7Bに模式的に示すように、超伝導ケーブル12の端部近くを例えば第2の固定具17で、断熱2重管等に固定し、超伝導ケーブル12が動くことを抑制する。すなわち、超伝導ケーブル12の接続などの作業時には、超伝導ケーブルが動くと、作業の進行が滞る。このため、超伝導ケーブル12端部の近くを保持することで、超伝導ケーブル12のヘリカル変形の状態(ピッチや振幅)が崩れないようになる。なお、図7Bの例では、第2の固定具17は、断熱2重管(外管10)に固定されているが、他の箇所等に固定するようにしてもよいことは勿論である。
超伝導ケーブル12において、同心撚線構造のフォーマにおいて、各層毎の撚り方向を反転させ、フォーマ全体としては捻れにくく作るが、昇温過程でヘリカル変形をさせるためには、最外層と次の層の撚り方向を同じにしている。これによって、捻れる方向(ヘリカル変形につながる)が安定する。
なお、断熱2重管内管と外管の間に支持部材等を備えた構成としてもよいことは勿論である。また、熱侵入を抑える輻射シールドを内管と外管の間に備えてもよい。輻射シールドは、例えば複数の環状の部材(アルミ押出材)を組み合せて構成され、その上に多層断熱膜(MLI)が巻かれる構成としてもよい。
なお、上記の特許文献1-3、非特許文献1、2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乃至選択が可能である。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。
10 断熱2重管外管
11 断熱2重管内管
12 超伝導ケーブル
13 真空層
14 真空ポンプ
15 第1の固定具
16 冷媒(液体窒素)
17 第2の固定具
18 窒素ガス
101 配管
102 ケーブル(超伝導ケーブル)
11 断熱2重管内管
12 超伝導ケーブル
13 真空層
14 真空ポンプ
15 第1の固定具
16 冷媒(液体窒素)
17 第2の固定具
18 窒素ガス
101 配管
102 ケーブル(超伝導ケーブル)
Claims (10)
- 冷却時に直線状とされ昇温時にヘリカル状に変形する超伝導ケーブルを、昇温時に、超伝導ケーブル全体にわたって均一に昇温させる、ことを特徴とする超伝導ケーブルの敷設方法。
- 前記超伝導ケーブルの両端を固定した状態で昇温する、ことを特徴とする請求項1記載の超伝導ケーブルの敷設方法。
- 前記超伝導ケーブルを収容する内管と前記内管を収容する外管とを有する断熱2重管を真空排気し、常温にて、前記内管に前記超伝導ケーブルを挿入し、
前記断熱2重管の前記内管の端部から突出した一端を固定し、他端は自由端として、超伝導状態となる温度まで冷却した上で、前記超伝導ケーブルの両端を固定する、ことを特徴とする請求項1又は2記載の超伝導ケーブルの敷設方法。 - 昇温時には、昇温用のガスを前記断熱2重管内に流さずに、前記断熱2重管全体から熱が入り、前記超伝導ケーブルの少なくとも長手方向にわたって均一に昇温する、ことを特徴とする請求項3記載の超伝導ケーブルの敷設方法。
- 前記断熱2重管の前記内管外側と前記外管内側の間隙の真空層の真空度を下げることで断熱性能を下げ、前記超伝導ケーブルの少なくとも長手方向にわたって均一に昇温する、ことを特徴とする請求項3又は4記載の超伝導ケーブルの敷設方法。
- 前記超伝導ケーブルを超伝導状態となる温度まで冷却したら、前記一端の固定を緩め、固定を緩めた前記一端側から、前記超伝導ケーブルを前記断熱2重管の前記内管に押し込む、ことを特徴とする請求項3乃至5のいずれか1項に記載の超伝導ケーブルの敷設方法。
- 前記超伝導ケーブルの一端と他端を固定する場合、それぞれ固定具にて、前記断熱2重管に固定する、ことを特徴とする請求項3乃至6のいずれか1項に記載の超伝導ケーブルの敷設方法。
- 前記超伝導ケーブルがヘリカル変形をする昇温を行った後、ケーブル両端を固定する、ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の超伝導ケーブルの敷設方法。
- 撚線構造のフォーマであって、
最外層と次の層の撚線方向を同じ方向とし、前記フォーマを含む超伝導ケーブルの昇温時のヘリカル変形を安定化可能としてなる、ことを特徴とするフォーマ。 - 撚線構造のフォーマを備え、
前記フォーマは、最外層と次の層の撚線方向を同じ方向とし、
超伝導ケーブルの昇温時のヘリカル変形を安定化可能としてなる、ことを特徴とする超伝導ケーブル装置。
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