WO2017204336A1

WO2017204336A1 - 超伝導ケーブル敷設方法およびフォーマ

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Publication number: WO2017204336A1
Application number: PCT/JP2017/019727
Authority: WO
Inventors: 山口　作太郎
Original assignee: 学校法人中部大学
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2017-11-30
Also published as: CN109565159B; JP6837680B2; RU2018146035A; US20190221335A1; US11387018B2; RU2745404C2; EP3467976A1; EP3467976A4; CN109565159A; RU2018146035A3; EP3467976B1; JPWO2017204336A1

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

超伝導ケーブル敷設方法およびフォーマ

　［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。

　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Ｌ_０）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Ｌ_０は配管１０１の長さである。原点と（Ｌ_０、σ_０）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Ｌ_０）では大きな応力（σ_０）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（＝Ｌ_０／２）で最大値（残留応力＝σ_０／２）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（＝―σ_０）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：ＬＮ_２）、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。

＜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。

　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。

＜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。

国際公開第２０１３／１５１１００号国際公開第２０１５／００２２００号国際公開第２００９／１４５２２０号

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（ＧＮ_２）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。

超伝導ケーブルを例示する図である。超伝導ケーブルの撚り線構造の断面を例示する図である。超伝導ケーブルの側面を例示する図である。超伝導ケーブルの敷設の工程を例示する図である。超伝導ケーブルの敷設の工程を例示する図である。超伝導ケーブルの敷設の工程を例示する図である。超伝導ケーブルの敷設の工程を例示する図である。図３Ｄを説明する図である。本発明の一実施形態を説明する図である。本発明の一実施形態を説明する図である。本発明の他の実施形態を説明する図である。本発明の他の実施形態を説明する図である。配管にケーブルを引き込む状況を模式的に説明する図である。ケーブルの応力分布を引き込む距離の関係を示す図である。ケーブルを配管に引き込んだ後ケーブルに働く力を零（ゼロ）にしたときのケーブルの応力（残留応力）分布を示す図である。低温保持時のケーブルの応力（残留応力）分布、常温で応力零（ゼロ）のケーブルを冷却し低温に保持した時のケーブルの応力（残留応力）分布、配管に引き込んだ後ケーブルに働く力をゼロにしたときのケーブルの応力（残留応力）分布を示す図である。低温保持時のケーブルの固定端側を押し込んだときの応力分布、配管に引き込んだ後ケーブルに働く力を零（ゼロ）にしたときのケーブルの応力（残留応力）分布を示す図である。

　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～Ｌ_０／２）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（＝―σ_０）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）

Claims

　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。