超伝導電気ケーブル
本発明は、管（２）として構成された支持体の周りに少なくとも一層巻かれた、帯状体またはワイヤから構成される、少なくとも一つの超伝導性の導体（１）を備えた超伝導電気ケーブル（ＳＫ）に関する。該管（２）は、弾性的に変形可能であり、該管の全長にわたって軸方向に延びる割れ目（８）を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管として構成された支持体の周りに、少なくとも一層巻かれた、少なくとも一つの、超伝導性の、帯状体またはワイヤからなる導体を備えた、超伝導電気ケーブルに関する。
【背景技術】
【０００２】
そのようなケーブルは、特許文献１に開示されている。
【０００３】
超伝導ケーブルは、今日の技術において、十分に低い温度で超伝導状態に移行するセラミクス材料を含む合成材料の電気導体を有する。適切に構成された導体の直流抵抗は、十分に冷却されると、所定の電流強度、臨界電流強度を超えない限り、ゼロとなる。適切なセラミクス材料は、たとえば、希土ベースの酸化物、特にＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅酸化物）またはＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）である。そのような材料を超伝導状態にするための、十分に低い温度は、たとえば、６７Ｋと１１０Ｋとの間である。適切な冷媒は、たとえば、窒素、ヘリウム、ネオン、及び水素またはこれらの物質の混合物である。
【０００４】
上記の特許文献１によって公知のケーブルは、少なくとも一層、管の周りに巻かれた超伝導導体を有する。該ケーブルには、さらに、導体を取り囲む被膜も属する。該ケーブルは、互いに同軸に配置された２個の金属管であって、その間に真空絶縁が施された、２個の金属管からなるクライオスタット内において、空間内に拘束されることなく配置されている。該導体の超伝導状態をもたらす冷媒は、該管及びクライオスタットの該空間を通って導かれる。
【０００５】
超伝導ケーブルの導体は、公知の技術では、少なくとも一層、支持体、たとえば、管の周りに巻かれた、超伝導材料の帯状体またはワイヤからなる。室温から超伝導状態が必要とする温度までの、ケーブルの運転状態に必要な冷却によって、超伝導性導体材料は、約０．２５％から０．３％収縮する。この結果、たとえば、６００ｍのケーブル長の場合に、約１．５ｍから１．８ｍ、導体が短くなる。超伝導ケーブルとその導体は、接続装置において端部が接続されている。冷却によって導体がかなり短くなるので、接続装置には、かなりの引っ張り荷重がかかる。さらに、引っ張り荷重によって、導体、すなわち、導体の各エレメントが、過度に伸び、それによって損傷することも起こりやすい。損傷により、導体は使用できなくなる。導体の機能へのそのような影響を防止するために、たとえば、特許文献２によれば、実施される冷却の後、超伝導状態に対応する、短くなった長さで、端部は、クライオスタットの内部で固定される。このような装置のコストは、比較的高い。このような超伝導ケーブルが、たとえば、修理の目的で室温に暖められると、膨張したケーブルによって、さらに、接続装置に機械的に荷重がかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】WO03/052775A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、温度が引き起こす導体の長さ変化を、簡単な仕方で取り除くことができるように、上述のケーブルを構成するという課題に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明にしたがって、管が、変化しうる直径を有し、半径方向に変形可能であり、管の全長にわたり伸び、外側の輪郭に沿って直線状に走る割れ目を備えることによって、解決される。
【０００９】
このケーブルにおいて、導体の支持体として使用される管は、弾性的に変形可能であり、管の直径は、外側から作用する径方向の圧縮荷重によって減少しうる。このことは、導体の冷却の際に狭まり、最大では、完全に閉じることができるように、室温では十分な幅に定められた、管の長手方向に伸びる割れ目によって達成される。冷却の結果、導体が短くなることは、支持体において、主として径方向に影響を与え、ケーブルの端部の接続装置に、引っ張り荷重はほとんどかからない。管は弾性的に変形可能であるので、管の径方向の荷重が減少したり、極端にはなくなった場合には、割れ目は再び広がり、管の直径は再び大きくなる。超伝導ケーブルの導体は、この構成により、冷却及び加熱の際の導体の長さに関係なく、継続的に支持体として機能する管の表面に常に接している。「弾性的に変形可能である」という表現は、発明の意味において、管がそれを取り囲む導体に対して常に圧力をかけることを意味し、最も広い意味において、弾力性のある特性を有することを意味する。
【００１０】
上述の意味において、室温で機能する管が必要とする割れ目の幅は、管の直径、管の材料、室温と超伝導状態におけるケーブルの動作温度との差の関係から計算する、すなわち定めることができる。
【００１１】
本発明の主題の実施例は、図面に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】超伝導ケーブルを備えた構成の断面図である。
【図２】本発明による超伝導ケーブル用に、ケーブルの導体用の支持体として使用しうる管を示す図である。
【図３】図２に対して変形した、管の実施形態を示す図である。
【図４】図２に対して変形した、管の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１には、クライオスタットＫＲ内に配置された超伝導ケーブルＳＫの原理的な構成が示されている。ケーブルＳＫは、支持体として製作された管２の周りに形成された、超伝導導体１を有する。導体１は、誘電体３によって囲まれており、その上には、超伝導性層４が配置されている。クライオスタットＫＲは、その間に真空絶縁７を施した、２個の、互いに同軸に配置された金属管５及び６からなる。クライオスタットＫＲは、ケーブルＳＫ及び冷媒を通すための空間ＦＲを囲む。
【００１４】
クライオスタットＫＲの管５及び６は、有利には特殊鋼からなる。管５及び６は、長手方向を横断して波形とすることができる。導体１及び層４は、通常の超伝導材料、特に上述の材料ＹＢＣＯ及びＢＳＣＣＯから構成してもよい。導体１は、有利には、少なくとも一層、管２の周りに巻かれた、帯状体またはワイヤから構成される。誘電体３は、通常の技術で製作される。ケーブルＳＫは、図１に実施形態において、低温誘電体を備えた超伝導ケーブルである。
【００１５】
導体１用の支持体として使用される管２は、さらに上述の意味において、弾性的に変形可能であり、径方向に変わりうる直径を備える。管２は、好ましい実施形態において、特殊鋼、銅、またはアルミニウム、あるいはこれらの合金から構成される。管２は、好ましい実施形態において、ベリリウム銅合金から構成されてもよい。管２は、図４に対応して、長手方向を横断して波形とすることができる。
【００１６】
管２は、全長にわたり伸びる割れ目８を有し、該割れ目は、図２にしたがって、管の外側の輪郭に沿って直線状に走る。割れ目８は、図３にしたがって、特に大きなねじれ角を伴うらせん状であってもよい。
【００１７】
実施例
割れ目８の幅は、たとえば、以下のように算出することができる。
【００１８】
直径Ｄのロープの周りにストローク長ＬＳの導体を作る場合に、ストローク長ＬＳに対する導体長Ｌは、式
【数１】
で与えられる。導体が冷却されたときに、導体は、収縮により、とりわけ短くなる。この収縮は、導体の巻かれた物体の直径が減少しうることによって補償される。αが、ロープの材料の熱収縮に依存する係数であるとして、低温導体の長さが
【数２】
であると、次のようになる。金属材料は、室温から７７Ｋへ冷却されると、たとえば、約３％収縮する。そのような場合に、
【数３】
である。上述の式から、
【数４】
に対して、冷却状態で収縮した導体が巻かれたものが、収縮すべき直径ＤＫを定めることができる。
【００１９】
超伝導ケーブルＳＫにおいて、導体は、たとえば、直径２５ｍｍの、特殊鋼から構成される管２の周りに巻かれている。ストローク長は、直径の１０倍に達し、
【数５】
である。係数アルファが、０．９９７であると、冷却された管２の直径は、２４．５８ｍｍである。そのような直径は、７７．２２ｍｍの管２の円周に相当する。当初の状態において、管の円周は、直径がＤ＝２５ｍｍであるので、７８．５４ｍｍであった。管２が、径方向に０．３％収縮すると、冷却された状態における管の直径は、
【数６】
である。その円周は、７８．３ｍｍとなる。上記の例に対して、割れ目８の幅は、
【数７】
と計算される。
【００２０】
管２に使用される材料を適切に指定すると、収縮により割れ目８が狭まることにより、塑性的な変形は、生じないかごくわずかしか生じない。このことは、適切な壁厚を有する材料の適切な選択によって達成されうる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管として構成された支持体の周りに、少なくとも一層巻かれた、少なくとも一つの、超伝導性の、帯状体またはワイヤからなる導体を備えた、超伝導電気ケーブルに関する。
【背景技術】
【０００２】
そのようなケーブルは、特許文献１に開示されている。
【０００３】
超伝導ケーブルは、今日の技術において、十分に低い温度で超伝導状態に移行するセラミクス材料を含む合成材料の電気導体を有する。適切に構成された導体の直流抵抗は、十分に冷却されると、所定の電流強度、臨界電流強度を超えない限り、ゼロとなる。適切なセラミクス材料は、たとえば、希土ベースの酸化物、特にＹＢＣＯ（イットリウム・バリウム・銅酸化物）またはＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）である。そのような材料を超伝導状態にするための、十分に低い温度は、たとえば、６７Ｋと１１０Ｋとの間である。適切な冷媒は、たとえば、窒素、ヘリウム、ネオン、及び水素またはこれらの物質の混合物である。
【０００４】
上記の特許文献１によって公知のケーブルは、少なくとも一層、管の周りに巻かれた超伝導導体を有する。該ケーブルには、さらに、導体を取り囲む被膜も属する。該ケーブルは、互いに同軸に配置された２個の金属管であって、その間に真空絶縁が施された、２個の金属管からなるクライオスタット内において、空間内に拘束されることなく配置されている。該導体の超伝導状態をもたらす冷媒は、該管及びクライオスタットの該空間を通って導かれる。
【０００５】
超伝導ケーブルの導体は、公知の技術では、少なくとも一層、支持体、たとえば、管の周りに巻かれた、超伝導材料の帯状体またはワイヤからなる。室温から超伝導状態が必要とする温度までの、ケーブルの運転状態に必要な冷却によって、超伝導性導体材料は、約０．２５％から０．３％収縮する。この結果、たとえば、６００ｍのケーブル長の場合に、約１．５ｍから１．８ｍ、導体が短くなる。超伝導ケーブルとその導体は、接続装置において端部が接続されている。冷却によって導体がかなり短くなるので、接続装置には、かなりの引っ張り荷重がかかる。さらに、引っ張り荷重によって、導体、すなわち、導体の各エレメントが、過度に伸び、それによって損傷することも起こりやすい。損傷により、導体は使用できなくなる。導体の機能へのそのような影響を防止するために、たとえば、特許文献２によれば、実施される冷却の後、超伝導状態に対応する、短くなった長さで、端部は、クライオスタットの内部で固定される。このような装置のコストは、比較的高い。このような超伝導ケーブルが、たとえば、修理の目的で室温に暖められると、膨張したケーブルによって、さらに、接続装置に機械的に荷重がかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】WO03/052775A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、温度が引き起こす導体の長さ変化を、簡単な仕方で取り除くことができるように、上述のケーブルを構成するという課題に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明にしたがって、管が、変化しうる直径を有し、半径方向に変形可能であり、管の全長にわたり伸び、外側の輪郭に沿って直線状に走る割れ目を備えることによって、解決される。
【０００９】
このケーブルにおいて、導体の支持体として使用される管は、弾性的に変形可能であり、管の直径は、外側から作用する径方向の圧縮荷重によって減少しうる。このことは、導体の冷却の際に狭まり、最大では、完全に閉じることができるように、室温では十分な幅に定められた、管の長手方向に伸びる割れ目によって達成される。冷却の結果、導体が短くなることは、支持体において、主として径方向に影響を与え、ケーブルの端部の接続装置に、引っ張り荷重はほとんどかからない。管は弾性的に変形可能であるので、管の径方向の荷重が減少したり、極端にはなくなった場合には、割れ目は再び広がり、管の直径は再び大きくなる。超伝導ケーブルの導体は、この構成により、冷却及び加熱の際の導体の長さに関係なく、継続的に支持体として機能する管の表面に常に接している。「弾性的に変形可能である」という表現は、発明の意味において、管がそれを取り囲む導体に対して常に圧力をかけることを意味し、最も広い意味において、弾力性のある特性を有することを意味する。
【００１０】
上述の意味において、室温で機能する管が必要とする割れ目の幅は、管の直径、管の材料、室温と超伝導状態におけるケーブルの動作温度との差の関係から計算する、すなわち定めることができる。
【００１１】
本発明の主題の実施例は、図面に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】超伝導ケーブルを備えた構成の断面図である。
【図２】本発明による超伝導ケーブル用に、ケーブルの導体用の支持体として使用しうる管を示す図である。
【図３】図２に対して変形した、管の実施形態を示す図である。
【図４】図２に対して変形した、管の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１には、クライオスタットＫＲ内に配置された超伝導ケーブルＳＫの原理的な構成が示されている。ケーブルＳＫは、支持体として製作された管２の周りに形成された、超伝導導体１を有する。導体１は、誘電体３によって囲まれており、その上には、超伝導性層４が配置されている。クライオスタットＫＲは、その間に真空絶縁７を施した、２個の、互いに同軸に配置された金属管５及び６からなる。クライオスタットＫＲは、ケーブルＳＫ及び冷媒を通すための空間ＦＲを囲む。
【００１４】
クライオスタットＫＲの管５及び６は、有利には特殊鋼からなる。管５及び６は、長手方向を横断して波形とすることができる。導体１及び層４は、通常の超伝導材料、特に上述の材料ＹＢＣＯ及びＢＳＣＣＯから構成してもよい。導体１は、有利には、少なくとも一層、管２の周りに巻かれた、帯状体またはワイヤから構成される。誘電体３は、通常の技術で製作される。ケーブルＳＫは、図１に実施形態において、低温誘電体を備えた超伝導ケーブルである。
【００１５】
導体１用の支持体として使用される管２は、さらに上述の意味において、弾性的に変形可能であり、径方向に変わりうる直径を備える。管２は、好ましい実施形態において、特殊鋼、銅、またはアルミニウム、あるいはこれらの合金から構成される。管２は、好ましい実施形態において、ベリリウム銅合金から構成されてもよい。管２は、図４に対応して、長手方向を横断して波形とすることができる。
【００１６】
管２は、全長にわたり伸びる割れ目８を有し、該割れ目は、図２にしたがって、管の外側の輪郭に沿って直線状に走る。割れ目８は、図３にしたがって、特に大きなねじれ角を伴うらせん状であってもよい。
【００１７】
実施例
割れ目８の幅は、たとえば、以下のように算出することができる。
【００１８】
直径Ｄのロープの周りにストローク長ＬＳの導体を作る場合に、ストローク長ＬＳに対する導体長Ｌは、式
【数１】
で与えられる。導体が冷却されたときに、導体は、収縮により、とりわけ短くなる。この収縮は、導体の巻かれた物体の直径が減少しうることによって補償される。αが、ロープの材料の熱収縮に依存する係数であるとして、低温導体の長さが
【数２】
であると、次のようになる。金属材料は、室温から７７Ｋへ冷却されると、たとえば、約３％収縮する。そのような場合に、
【数３】
である。上述の式から、
【数４】
に対して、冷却状態で収縮した導体が巻かれたものが、収縮すべき直径ＤＫを定めることができる。
【００１９】
超伝導ケーブルＳＫにおいて、導体は、たとえば、直径２５ｍｍの、特殊鋼から構成される管２の周りに巻かれている。ストローク長は、直径の１０倍に達し、
【数５】
である。係数アルファが、０．９９７であると、冷却された管２の直径は、２４．５８ｍｍである。そのような直径は、７７．２２ｍｍの管２の円周に相当する。当初の状態において、管の円周は、直径がＤ＝２５ｍｍであるので、７８．５４ｍｍであった。管２が、径方向に０．３％収縮すると、冷却された状態における管の直径は、
【数６】
である。その円周は、７８．３ｍｍとなる。上記の例に対して、割れ目８の幅は、
【数７】
と計算される。
【００２０】
管２に使用される材料を適切に指定すると、収縮により割れ目８が狭まることにより、塑性的な変形は、生じないかごくわずかしか生じない。このことは、適切な壁厚を有する材料の適切な選択によって達成されうる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管として構成された支持体の周りに少なくとも一層巻かれた、少なくとも一つの、超伝導性の、帯状体またはワイヤからなる導体を備えた超伝導電気ケーブルであって、該管（２）は、弾性的に変形可能であり、該管の全長にわたって延び、軸方向に走る割れ目（８）を備えた超伝導電気ケーブル。
【請求項２】
該管（２）は、その長手方向を横断する方向に波形とされている請求項１に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項３】
該割れ目（８）は、該管（２）の外側の輪郭に沿って直線状に走る請求項１または２に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項４】
該割れ目（８）は、らせん状に走る請求項１または２に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項５】
該管（２）は、特殊鋼から形成される請求項１から４のいずれかに記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項６】
該管（２）は、銅または銅合金から形成される請求項１から４のいずれかに記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項７】
該管（２）は、ベリリウム・銅合金から形成される請求項６に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項８】
該管（２）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される請求項１から４のいずれかに記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項１】
管として構成された支持体の周りに少なくとも一層巻かれた、少なくとも一つの、超伝導性の、帯状体またはワイヤからなる導体を備えた超伝導電気ケーブルであって、該管（２）は、弾性的に変形可能であり、該管の全長にわたって延び、軸方向に走る割れ目（８）を備えた超伝導電気ケーブル。
【請求項２】
該管（２）は、その長手方向を横断する方向に波形とされている請求項１に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項３】
該割れ目（８）は、該管（２）の外側の輪郭に沿って直線状に走る請求項１または２に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項４】
該割れ目（８）は、らせん状に走る請求項１または２に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項５】
該管（２）は、特殊鋼から形成される請求項１から４のいずれかに記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項６】
該管（２）は、銅または銅合金から形成される請求項１から４のいずれかに記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項７】
該管（２）は、ベリリウム・銅合金から形成される請求項６に記載の超伝導電気ケーブル。
【請求項８】
該管（２）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される請求項１から４のいずれかに記載の超伝導電気ケーブル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１２−５２３０６５（Ｐ２０１２−５２３０６５Ａ）
【公表日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０１２２７（Ｐ２０１２−５０１２２７）
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５２８１３
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０８７７１
【国際公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（５０１０４４７２５）ネクサン (81)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５２８１３
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０８７７１
【国際公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（５０１０４４７２５）ネクサン (81)
【Ｆターム（参考）】
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