超電導ケーブル
【課題】プーリングアイをケーブル本体に好適に接続することで、超電導導体及び断熱管に張力を加えることなく布設可能な超電導ケーブルを提供する。
【解決手段】内管１２１と外管１２２とを有する断熱管１２０と、内管１２１の内側に収納されたケーブルコア１１０とを備え、さらに内管１２１の外表面にテンションメンバー１４０を配置している。プーリングアイ１３０には、テンションメンバー１４０と外管１２２とが接続されており、テンションメンバー１４０は、断熱管１２０の可撓性を損なわないよう、プーリングアイ１３０が接続された側の端部のみで内管１２１に固定されている。
【解決手段】内管１２１と外管１２２とを有する断熱管１２０と、内管１２１の内側に収納されたケーブルコア１１０とを備え、さらに内管１２１の外表面にテンションメンバー１４０を配置している。プーリングアイ１３０には、テンションメンバー１４０と外管１２２とが接続されており、テンションメンバー１４０は、断熱管１２０の可撓性を損なわないよう、プーリングアイ１３０が接続された側の端部のみで内管１２１に固定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導ケーブルの技術分野に関し、特に管路や洞道内への布設に好適な超電導ケーブルの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導ケーブルは、例えば発電所から需要地まで電力を送る送電線の一部に使用されており、特に都市部近郊の地中施設（管路、洞道）に布設されるケースが多い。従来の超電導ケーブルの一例を図８に示す。同図に示すように、超電導ケーブル９００は、フォーマ９１１、超電導導体９１２、電気絶縁層９１３及び保護層９１４を備えたケーブルコア９１０と、これを内部に収納する断熱管９２０とから構成されている。
【０００３】
断熱管９２０は、二本の可撓性同軸管をそれぞれ内管９２１と外管９２２とし、この内管９２１と外管９２２との間に断熱層９２３を配置して構成されている。ケーブルコア９１０が冷却されているときは、内管９２１と外管９２２とで形成された空間が真空引きされて断熱性が高められている。
【０００４】
超電導ケーブル９００が使用可能となる超電導状態では、ケーブルコア９１０と断熱管９２０の内管９２１との間の空間が液体窒素等の冷媒で充填され、これによりケーブルコア９１０及び内管９２１が極低温状態に冷却されている。このような冷却状態では、ケーブルコア９１０が熱収縮しているが、ケーブルコア９１０に過大な張力がかかった状態にならないよう、断熱管９２０の内管９２１及び外管９２２には波付け加工を施して高い可撓性を持たせている。
【０００５】
上記のような構成の超電導ケーブルを管路などの地中部に布設する際には、超電導ケーブルの先端にプーリングアイと呼ばれる金具を取り付け、これにロープなどを取り付けて数百ｍの長さにわたって管路や洞道に引き込む方法がとられる。このとき、超電導ケーブルの先端には大きな張力が加わるため、超電導導体が損傷してしまったり、断熱管の内管及び外管に施された波付け加工が延伸してしまって、超電導ケーブルを好ましい状態で管路等の内部に引き込むのが困難といった問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献１ではケーブルコアの中心を形成しているフォーマをプーリングアイに接続するように構成された超電導ケーブルが開示されており、これによりプーリングアイに加えられた張力をフォーマが分担するようにしている。その結果、超電導導体や断熱管の内管、外管に張力が直接加えられるのを防止することが可能となっている。
【特許文献１】特開２００５−３１２２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術では以下のような問題があった。
特許文献１では、プーリングアイに加えられる張力をフォーマが分担するように構成されているため、この張力によってフォーマが引っ張られて延伸してしまうおそれがあった。フォーマが延伸してしまうと、その外周に巻き付けられた超電導導体に引張応力が加えられ、これにより超電導導体も延伸してその超電導特性が劣化してしまうといった問題があった。
【０００８】
また、超電導導体は、管路等への布設後その両端が拘束されるが、上記のように引張応力が加えられたままの状態で拘束されることから、その後液体窒素でケーブルコアが冷却されると、熱収縮により両端から引っ張られてさらに引張応力が加えられる。そのため、比較的機械的強度の低い酸化物超電導線を用いた場合には、機械的なダメージを受けて臨界電流特性等が劣化してしまうといった問題があった。
【０００９】
さらに、管路等が屈曲した部分では超電導ケーブルも屈曲され、フォーマを引っ張ることでケーブルコアが屈曲方向に引っ張られて断熱管の内管に押し付けられてしまう。その結果、超電導導体が側圧を受けて超電導線にダメージを与えてしまうといった問題があった。一例として、布設前に８０００Ａ近い臨界電流を持つ超電導ケーブルが、布設作業の影響によって１０％程度臨界電流を低下させ、さらに冷却によるダメージに起因して１０％程度臨界電流を低下させることで、臨界電流が６４００Ａ程度まで低下してしまうことがあった。
【００１０】
そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、プーリングアイをケーブル本体に好適に接続することで、超電導導体及び断熱管に張力を加えることなく布設可能な超電導ケーブルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の超電導ケーブルの第１の態様は、超電導導体と、それぞれ波付け加工された円筒状の内管と外管とを有して前記内管の内側に前記超電導導体を収納する断熱管とを具備するケーブル本体を少なくとも備える超電導ケーブルであって、前記内管又は前記外管の外表面に設置されたテンションメンバーと、前記ケーブル本体の少なくともいずれか一方の端部に設置されているプーリングアイと、を備え、前記テンションメンバーの先端が前記プーリングアイに接続されていることを特徴とする。このような態様により、超電導導体及び断熱管に張力を加えることなく超電導ケーブル全体を牽引でき、極低温状態に冷却しても断熱管の可撓性を損なわない。
【００１２】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、前記プーリングアイに接続されている前記端部あるいはその近傍のみで前記内管又は前記外管に固定されていることを特徴とする。このような態様により、プーリングアイが牽引されると、超電導導体と断熱管の内管又は外管がテンションメンバーを介してプーリングアイに牽引される。
【００１３】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記プーリングアイは、プーリングアイ本体と固定金具とを備え、前記テンションメンバーが前記内管の外表面に設置されてその先端が前記プーリングアイ本体に接続され、前記固定金具には前記外管の端部が接続されていることを特徴とする。このような態様により、プーリングアイが牽引されると、超電導導体と断熱管の内管とがテンションメンバーを介してプーリングアイに牽引され、それと同時に外管が固定金具を介してプーリングアイに牽引される。
【００１４】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記プーリングアイは、プーリングアイ本体と固定金具とを備え、前記テンションメンバーが前記外管の外表面に設置されてその先端が前記固定金具に接続され、前記プーリングアイ本体には前記外管の端部が接続されていることを特徴とする。このような態様により、プーリングアイが牽引されると、テンションメンバーと断熱管の外管とがプーリングアイによって一体に牽引され、これにより超電導導体と断熱管とが一体に牽引される。
【００１５】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記超電導導体は、前記テンションメンバーより小さいヤング率を有する円筒形状のフォーマの外周に配置されており、前記フォーマが前記プーリングアイに接続されていることを特徴とする。フォーマに応力をほとんどかけない状態で、フォーマもプーリングアイに接続させるように構成することが可能となる。
【００１６】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、ステンレステープをピッチ３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下として前記内管又は前記外管に螺旋状に巻付けて形成されていることを特徴とする。このようにピッチ３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下とした場合、超電導ケーブルが曲折した状態でもテンションメンバーに均等に力をかけることができる。
【００１７】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、高張力高分子繊維を撚って形成された１以上の繊維テープを前記内管又は前記外管の外表面に配置して形成されていることを特徴とする。このように金属に比べて熱伝導率が小さい高分子繊維を用いることで、内管と外管の間でスペーサとしての機能を有することもできる。
【００１８】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、高張力高分子繊維を網状に撚り合わせて形成したものを前記内管又は前記外管の外表面を覆うように配置して形成されていることを特徴とする。このように網状に撚り合わせて形成されたテープ状のものを巻きつけて施工するということにより、簡単にテンションメンバーを形成することが可能である。
【００１９】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、厚さ又は直径が前記内管と前記外管との間隔に略等しい断面を有する線状体を前記内管と前記外管との間に略等間隔に４本以上１０本以下配置して形成されていることを特徴とする。このようにテンションメンバーを配置することで、テンションメンバーは牽引の役割とともに、内管と外管との間隔を一定にするためのスペーサの役割を果たすことができる。
【００２０】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記内管及び前記外管は、それぞれの直径の５％以上２０％以下の波高でかつ前記波高の１倍以上４倍以下のピッチとなるよう波付け加工されていることを特徴とする。内管、外管は、ともにこのように波付け加工されることによって高い可撓性を有する。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、少なくともいずれか一方の端部にプーリングアイを設置するとともに、テンションメンバーを断熱管の内管又は外管の外表面に設け、テンションメンバーをプーリングアイに接続することにより、超電導導体及び断熱管に張力を加えることなく布設することが可能な超電導ケーブルを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態における超電導ケーブルについて、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る超電導ケーブルの構造を、図１、図２及び図３を用いて以下に説明する。図１は、本実施形態の超電導ケーブル１００を示す長手方向断面図であり、図２は超電導ケーブル１００に備えられたケーブル本体１０１の断面図、図３はケーブル本体１０１に備えられたケーブルコア１１０を示す側面図である。なお、図１では、ケーブルコア１１０については、断面図でなく側面図で示している。
【００２４】
超電導ケーブル１００は、ケーブルコア１１０と断熱管１２０とを備えたケーブル本体１０１と、その端部に接続されたプーリングアイ１３０とから構成されており、ケーブルコア１１０は断熱管１２０の内部に収納されている。
【００２５】
ケーブルコア１１０は、フォーマ１１１の外周に超電導導体１１２を配置し、その外周に電気絶縁層１１３と保護層１１４とを設けた構造としている。本実施形態では、超電導導体１１２として例えばＢｉ系やＹ系超電導材料を用いることができ、これをテープ状に形成したテープ状線をフォーマ１１１上に螺旋状に巻付けて配置することができる。
【００２６】
フォーマ１１１は、超電導導体１１２の形状を保持するのに用いられるものであり、例えば非磁性の金属材料を用いることができる。電気絶縁層１１３は、クラフト紙等の絶縁紙を超電導導体１１２の上部に巻付けて形成することができる。保護層１１４は、導電性の紙あるいは銅の編組線を用いて形成することができる。図１には省略しているが、保護層１１４と電気絶縁層１１３の間に、超電導導体を配置することもできる。この場合、超電導体は、超電導導体１１２と逆向きの電流を流すことで、ケーブルから発生する磁界を閉じ込めて、漏洩磁界を下げることができる。
【００２７】
また、断熱管１２０は、同軸管である内管１２１と外管１２２、及びその間に配置された断熱層１２３を備えている。内管１２１及び外管１２２には、例えばステンレスあるいはアルミニウム等の金属を用いることができ、断熱層１２３には、アルミ蒸着の高分子材フィルムとポリエチレンネットとを積層させて構成されたスーパーインシュレーションを用いることができる。
【００２８】
プーリングアイ１３０は、ケーブル本体１０１を牽引する際に用いられるものであり、プーリングアイ本体１３１と、これにネジ接続された固定金具１３２とを備えている。プーリングアイ本体１３１には、布設時に超電導ケーブル本体１０１を牽引するロープ等を接続するための引張り帽１３１ａが設けられている。
【００２９】
ケーブル本体１０１の端部にプーリングアイ１３０が接続された本実施形態の超電導ケーブル１００は、使用可能となる前の所定の管路等に布設されるときの状態のものである。この場合には、ケーブルコア１１０及び断熱管１２０を固定する必要はとくになく、布設中にこれらが損傷するのを防止することが重要である。
【００３０】
超電導ケーブル１００が所定の管路等に布設された後は、プーリングアイ１３０がケーブル本体１０１から切り離され、これに代えて所定の端末封止金具が取り付けられる。端末封止金具にはケーブルコア１１０及び断熱管１２０が固定され、これによりケーブルコア１１０が例えば断熱管１２０の中心に位置するように保持される。この状態で超電導導体１１２が液体窒素などを用いて極低温状態に冷却され、超電導状態が実現される。
【００３１】
超電導ケーブル１００が超電導状態にあるとき、内管１２１の内側は液体窒素で冷却されて極低温状態に維持される一方、外管１２２の外側は例えば室温状態となっていることから、極低温状態と室温状態との間の熱移動をできるだけ低減させるよう、断熱管１２０を用いて高い断熱性を実現する必要がある。そこで、内管１２１と外管１２２との間に断熱層１２３を設けるとともに、内管１２１と外管１２２との間を例えば０．１ＭＰａ以下の高真空状態に排気維持している。このような高真空状態を維持できるようにするために、断熱管１２０には溶接不良やクラック、ピンホール等がないようにして、高い気密性を実現している。
【００３２】
内管１２１及び外管１２２は、ともに波付けされて高い可撓性を有しており、これにより冷却中及び極低温状態において超電導導体１１２に大きな応力が加わるのを防止している。すなわち、超電導ケーブル１００が使用可能となる状態では、ケーブルコア１１０と断熱管１２０の内管１２１との間の空間に液体窒素等の冷媒が充填され、例えば７７Ｋ程度の極低温状態に冷却される。これによりケーブルコア１１０及び内管１２１はともに熱収縮するが、このとき両者が必ずしも等しい長さだけ熱収縮するとは限らない。そこで、内管１２１を波付け加工して高い可撓性を持たせることにより、ケーブルコア１１０と内管１２１との熱収縮の差を吸収させるようにしている。このように、内管１２１に高い可撓性を持たせることで、極低温状態でケーブルコア１１０に内管１２１から大きな応力が加えられたままになるのを防止している。
【００３３】
また、外管１２２の外側は通常は室温状態であることから、外管１２２には上記のような熱収縮が発生しない。その結果、ケーブルコア１１０及び内管１２１と外管１２２との間で長さが異なってしまうことになるが、外管１２２に対しても波付け加工して可撓性を持たせることで、ケーブルコア１１０及び内管１２１が熱収縮したのと略等しい長さだけ外管１２２も収縮できるようにしている。これにより、ケーブルコア１１０及び断熱管１２０のいずれにも応力が発生しない構成としている。
【００３４】
本実施形態では、布設時にプーリングアイ１３０に加えられる張力がケーブル本体１０１に直接加わるのを防止するために、内管１２１の外表面にテンションメンバー１４０を配置するようにしている。テンションメンバー１４０は、超電導ケーブル１００の布設時に利用されるものであるが、布設が完了した後も内管１２１の外表面に設置されたままとなる。そこで、超電導ケーブル１００の布設時はケーブル本体１０１の変形等を防止するためにこれを一体に牽引できるようにするとともに、極低温状態に冷却中断熱管１２０の可撓性を損なわないようにテンションメンバー１４０を設置する必要がある。本実施形態では、テンションメンバー１４０を以下のように配置している。
【００３５】
テンションメンバー１４０は、ケーブル本体１０１がプーリングアイ１３０と接続される側の端部において、内管１２１に固定されている。図１及び図２では、テンションメンバー１４０が内管１２１に固定される位置を固定部１４１で示している。テンションメンバー１４０は、ステンレス、Ｎｉ合金等の高張力合金、またはアラミド樹脂やアラミド繊維等の高張力スーパー繊維、等を用いて形成し、張力を高めることができる。
【００３６】
上記のように内管１２１に固定されたテンションメンバー１４０を、本実施形態ではプーリングアイ本体１３１に固定している。また、これと同時に固定金具１３２には外管１２２を固定している。プーリングアイ本体１３１にテンションメンバー１４０を固定する方法、及び固定金具１３２に外管１２２を固定する方法は、ともに溶接接続する方法を用いている。このような接続により、プーリングアイ１３０が牽引されると、ケーブルコア１１０と断熱管１２０の内管１２１とがテンションメンバー１４０を介してプーリングアイ１３０に牽引され、それと同時に外管１２２が固定金具１３２を介してプーリングアイ１３０に牽引される。
【００３７】
ケーブル本体１０１にプーリングアイ１３０を接続する工程を、図１を用いて以下に説明する。まず、プーリングアイ本体１３１の第１溶接部１３１ｂにテンションメンバー１４０の端部を溶接して接合する。その後、固定金具１３２をプーリングアイ本体１３１のネジ部にねじ込んで固定し、固定金具１３２の先端にある第２溶接部１３２ａに外管１２２を溶接接合する。なお、第２溶接部１３２ａの溶接は全周溶接とするのがよく、これにより外部から水などが浸入しないよう気密化するのが好ましい。
【００３８】
上記のように、プーリングアイ１３０でテンションメンバー１４０と外管１２２とを牽引するようにした結果、ケーブルコア１１０に張力が直接加わることなく、内管１２１に固定されたテンションメンバー１４０でケーブルコア１１０及び内管１２１を管路等に引き込むことが可能となる。また、固定金具１３２で外管１２２を同時に牽引するようにしたことにより、ケーブルコア１１０と内管１２１及び外管１２２を一体に牽引することが可能となり、それぞれの間に大きな応力が発生したり変形してしまうのを防止することができる。
【００３９】
なお、ケーブルコア１１０のフォーマ１１１もプーリングアイ１３０に接続させるように構成することも可能であるが、この場合にはヤング率がテンションメンバー１４０より小さいフォーマ１１１を用いるのが好ましい。これにより、プーリングアイ１３０からケーブル本体１０１に加えられる応力をテンションメンバー１４０が分担するようにし、フォーマ１１１はほとんど分担しないようにすることができる。
【００４０】
本発明の別の実施の形態に係る超電導ケーブルを、図４を用いて以下に説明する。本実施形態では、プーリングアイ２３０とケーブル本体１０１との接続方法が、上記の実施形態と異なっている。また、テンションメンバー２４０が、本実施形態では外管１２２の外表面に固定されている点も、上記の実施形態と異なっている。本実施形態のテンションメンバー２４０は、固定部２４１で外管１２２に固定されている。
【００４１】
図４に示すように、プーリングアイ本体２３１には外管１２２が第１溶接部２３１ｂで溶接接続されており、固定金具２３２にはテンションメンバー２４０の端部が第２溶接部２３２ａで溶接接続されている。プーリングアイ本体２３１には、布設時に超電導ケーブル本体１０１を牽引するロープ等を接続するための引張り帽２３１ａが設けられている。本実施形態では、テンションメンバー２４０を固定金具２３２に固定し、プーリングアイ本体２３１には外管１２２を固定するようにしている。
【００４２】
ケーブル本体１０１とプーリングアイ本体２３１との接続を上記のように行うことにより、プーリングアイ２３０が牽引されると、テンションメンバー２４０と外管１２２とがプーリングアイ２３０に一体に牽引され、これによりケーブルコア１１０と断熱管１２０とが一体に牽引される。その結果、ケーブルコア１１０に張力が加えられるおそれはなく、また断熱管１２０が引き伸ばされてしまうおそれもなくなる。
【００４３】
なお、本実施形態でもケーブルコア１１０のフォーマ１１１をプーリングアイ２３０に接続させるように構成することが可能であるが、この場合にもテンションメンバー２４０より小さいヤング率のフォーマ１１１を用いるのが好ましい。
【００４４】
本実施形態では、上記構成に加えて、プーリングアイ２３０を牽引してケーブル１０１を管路等に引き込むときに、摩擦等によって断熱管１２０やテンションメンバー２４０が損傷するのを防止するために、テンションメンバー２４０の外周に保護被覆部２５０を設けている。この保護被覆部２５０はまた、布設後には断熱管１２０等が腐食するのを防止している。保護被覆部２５０は、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ナイロンなどの樹脂を用いて形成することができる。このような保護被覆部は、第１の実施形態でも設置することが可能である。
【００４５】
断熱管１２０の構成を、製造工程手順により説明する。ステンレスまたはアルミニウムの他に、銅あるいはこれらを主成分とする合金のいずれかの金属からなる厚さ０．５ｍｍから２ｍｍまでの板を用い、ケーブルコア１１０を収納するように円筒状に形成する。その後、外部から波つけ加工を施して、内管１２１を形成する。その後、内管１２１の外側に、断熱層１２３を内管に隙間なく巻きつけて形成する。さらにその外側に、厚さ０．５ｍｍから２ｍｍまでの金属板を、円筒状に形成して、その外部に波つけ加工を施して、外管１２２を形成する。波付け加工は、内管１２１又は外管１２２の直径に対し５から２０％の深さの波高とし、ひとつの山谷のピッチ（波周期）を波高の１倍から４倍となるよう行っている。
【００４６】
また、テンションメンバー１４０または２４０は、超電導ケーブル１００の布設中はこれを一体に牽引できるようにしてケーブル本体１０１の変形等を防止するとともに、超電導状態の時には断熱管１２０の可撓性を損なわないようにするために、テープ状に形成されたステンレステープを内管１２１または外管１２２の外表面に螺旋状に巻付けて形成されている。これに限らず、例えば内管１２１または外管１２２に沿って長手方向に配置してもよい。ステンレステープを螺旋状に巻付けてテンションメンバー１４０または２４０を形成する場合には、巻付けのピッチを３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下とするのが好ましい。ここで、巻付けのピッチとは、１本のステンレステープを内管１２１または外管１２２の外周に螺旋状に１回転周回させたときの長手方向の移動距離としている。
【００４７】
テンションメンバー１４０または２４０の形状は、テープ形状に限らず、例えば四角線や丸線等とすることができ、これを内管１２１または外管１２２に沿って配置したり、螺旋状に巻きつけて設置することができる。また、テンションメンバー１４０または２４０に用いる材料として、上記のステンレステープの他に、ステンレス線やインバー線等を用いてもよい。これらのステンレステープ又は線材を内管１２１または外管１２２の外表面に１層だけ巻付けてもよく、あるいは逆方向に２層巻付けてテンションメンバー１４０または２４０を形成してもよい。２層巻付けた場合には、それぞれの層がお互いに逆向きの回転方向に引っ張られることから、断熱管１２０にねじれが発生するのを防止することができる。
【００４８】
テンションメンバー１４０または２４０に用いるさらに別の材料として、ケブラー（米国デュポン社の登録商標）やアリレート繊維等の高張力高分子繊維を用いることも可能である。これらを用いる場合、上記のように内管１２１または外管１２２に直接巻付けてテンションメンバー１４０または２４０を形成する他に、各繊維を用いて事前にテープ状に撚っておき、これを内管１２１または外管１２２の外表面に設置することも可能である。このように、テープ状に撚った後に内管１２１または外管１２２の外表面に設置したテンションメンバーの実施形態を図５に示す。テンションメンバー３４０は、上記のような高張力高分子繊維を撚って形成された複数の繊維テープ３４１で構成されている。テンションメンバー３４０をこのようなテープ状に形成することにより、テンションメンバー３４０が内管１２１または外管１２２に一端だけ固定されている場合でも、ケーブル本体１０１の全体を把持するようにして管内等に引き込むことが可能となる。
【００４９】
本発明のさらに別の実施形態のテンションメンバーとして、内管１２１または外管１２２の外表面に網状に撚り合わせて形成することも可能である。このようにして形成されたテンションメンバーの実施例を図６に示す。テンションメンバー４４０は、高張力高分子繊維を用いて網状に撚り合わせて形成したものであり、これを内管１２１または外管１２２の外表面を覆うようにして設置している。テンションメンバー４４０をこのような網状に形成することにより、テンションメンバー４４０が内管１２１または外管１２２に一端だけ固定されている場合でも、ケーブル本体１０１の全体を把持するようにして管内等に引き込むことが可能となる。
【００５０】
本発明のさらに別の実施形態のテンションメンバーを、図７を用いて説明する。本実施形態のテンションメンバー５４０は、厚さ又は直径が内管１２１と外管１２２との間隔に略等しい断面を有する線状に形成されており、これを４本から１０本程度、内管１２１と外管１２２との間に略等間隔に配置して内管１２１に巻付けている。このように設置されたテンションメンバー５４０は、ケーブル本体１０１の布設時にこれを牽引するとともに、内管１２１と外管１２２との間隔を一定にするためのスペーサの役割を果たすことができる。
【００５１】
なお、図７に示す実施形態では、テンションメンバー５４０が内管１２１だけでなく外管１２２にも接触することから、外管１２２からテンションメンバー５４０を経由して内管１２１に熱が伝わるのをできるだけ低減するために、できるだけ熱伝導の低い材料を用いてテンションメンバー５４０を形成するのがよい。
【００５２】
内管１２１と外管１２２との間に設置される断熱層１２３は、図１のようにテンションメンバー１４０が内管１２１の外表面に設置されている第１の実施形態では、テンションメンバー１４０のさらに外周に配置されている。断熱層１２３には、例えばアルミニウムを樹脂フィルムに蒸着させて形成したものを用いることができる。なお、テンションメンバー１４０が断熱層１２３を損傷させるおそれがある場合には、テンションメンバー１４０の外周に金属鋼帯や繊維テープなどを巻付け、その上に断熱層１２３を設置するようにするのがよい。
【００５３】
上記のように構成された超電導ケーブル１００、２００では、管路等に布設された後内管１２１の内部に液体窒素が充填されると、ケーブルコア１１０と内管１２１、及びその外表面にテンションメンバー１４０が設置されている場合にはこれが、ともに液体窒素温度まで冷却されて略等しい長さだけ熱収縮する。その結果、内管１２１及びテンションメンバー１４０がケーブルコア１１０に応力を加えるおそれはなく、超電導導体１１２を破損させたり特性を変化させてしまうといったおそれがなくなる。
【００５４】
また、ケーブルコア１１０と内管１２１とで熱収縮する長さが異なる場合でも、内管１２１に可撓性を持たせていることから、内管１２１がケーブルコア１１０と略等しい長さに収縮される。また、第１の実施形態において、テンションメンバー１４０が熱収縮する長さがケーブルコア１１０や内管１２１と異なる場合でも、テンションメンバー１４０が第１固定部１４１のみで内管１２１に固定されていることから、テンションメンバー１４０が内管１２１に応力を加えることはない。
【００５５】
さらに、上記のようにテンションメンバー１４０または２４０が容易に収縮できるような形状で内管１２１または外管１２２に設置されることから、テンションメンバー１４０または２４０も内管１２１、外管１２２及びケーブルコア１１０と略等しい長さに収縮することができる。その結果、内管１２１、外管１２２及びテンションメンバー１４０がケーブルコア１１０に応力を加えてこれを破損させたり特性を変化させてしまうといったおそれがなくなる。
【００５６】
一方、断熱管１２０の外管１２２は、その温度が室温程度に維持されているため熱収縮することは無いものの、波付け加工されて高い可撓性を有していることから、内管１２１等の熱収縮に伴って容易に収縮することができる。このように、冷却によるケーブルコア１１０等の熱収縮に伴い、断熱管１２０の内管１２１と外管１２２、及びテンションメンバー１４０のいずれもが、ほとんど相互に応力を加えることなく収縮することができる。その結果、冷却時に内管または外管がテンションメンバーに引っ張られて容易に収縮できないといった従来の問題を解消することができ、ケーブルコア１１０及びこれに設置された超電導導体１１２を損傷するのを防止することができる。
【００５７】
本実施形態の超電導ケーブル１００を布設した一実施例として、長さ５００ｍの超電導ケーブル１００を所定の管路に引き込んだとき、プーリングアイ１３０には最大で１７０ｋＮの張力が加えられたが、超電導導体１１２にはその張力が全く加えられなかった。その結果、超電導導体１１２の超電導性能には全く影響を与えることはなかった。本実施形態では、ケーブルコア１１０に張力が加えられることはないため、管路に沿ってケーブル本体１０１が屈曲されている部分でも、これが断熱管１２０に押し付けられて側圧が加えられるといった事態を避けることができる。これにより、超電導導体１１２の外周を取り巻いている電気絶縁層１１３に対しても、つぶれや擦れ等の損傷を加えることはなく、電気絶縁性能上の問題が発生することはなかった。
【００５８】
また、超電導ケーブル１００を所定の管路に布設した後、ケーブル本体１０１の端部を所定の終端接続部に接続して液体窒素を充填し、これによりケーブルコア１１０を所定の極低温状態まで冷却したところ、長さ５００ｍのケーブルコア１１０は１.５ｍ熱収縮した。ケーブルコア１１０とともに内管１２１及びテンションメンバー１４０も同様に熱収縮しており、それとともに外管１２２もスムーズに収縮されたことで、超電導ケーブル本体１０１が途中で座屈することもなく、また端部でクラックが発生してリークが生じるといった事態も回避できた。さらに、超電導導体１１２の臨界電流が低下することもなく、健全に布設及び冷却を行うことができたことを確認した。
【００５９】
上記実施形態では、電力送電用の超電導電力ケーブルを例に説明したが、これに限定されず、例えば超電導電力貯蔵装置、あるいは核融合炉などで使用する大型超電導マグネットに電力供給する超電導バスラインなどに適用することも容易に可能である。本実施の形態における記述は、本発明に係る超電導ケーブルの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における電導ケーブルの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの長手方向断面図である。
【図２】本実施形態の超電導ケーブルに内蔵されるケーブル本体の断面図である。
【図３】本実施形態の超電導ケーブルに内蔵されるケーブルコアの側面図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係る超電導ケーブルの長手方向断面図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態で用いられるテンションメンバーを示す斜視図である。
【図６】本発明のさらに別の実施形態で用いられるテンションメンバーを示す断面図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態に係る超電導ケーブルの径方向断面図である。
【図８】従来の超電導ケーブルの一例を示す長手方向断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００、２００、９００ 超電導ケーブル
１０１ ケーブル本体
１１０、９１０ ケーブルコア
１１１、９１１ フォーマ
１１２、９１２ 超電導導体
１１３、９１３ 電気絶縁層
１１４、９１４ 保護層
１２０、９２０ 断熱管
１２１、９２１ 内管
１２２、９２２ 外管
１２３、９２３ 断熱層
１３０、２３０ プーリングアイ
１３１、２３１ プーリングアイ本体
１３２、２３２ 固定金具
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０ テンションメンバー
１４１、２４１ 固定部
２５０ 保護被覆部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導ケーブルの技術分野に関し、特に管路や洞道内への布設に好適な超電導ケーブルの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導ケーブルは、例えば発電所から需要地まで電力を送る送電線の一部に使用されており、特に都市部近郊の地中施設（管路、洞道）に布設されるケースが多い。従来の超電導ケーブルの一例を図８に示す。同図に示すように、超電導ケーブル９００は、フォーマ９１１、超電導導体９１２、電気絶縁層９１３及び保護層９１４を備えたケーブルコア９１０と、これを内部に収納する断熱管９２０とから構成されている。
【０００３】
断熱管９２０は、二本の可撓性同軸管をそれぞれ内管９２１と外管９２２とし、この内管９２１と外管９２２との間に断熱層９２３を配置して構成されている。ケーブルコア９１０が冷却されているときは、内管９２１と外管９２２とで形成された空間が真空引きされて断熱性が高められている。
【０００４】
超電導ケーブル９００が使用可能となる超電導状態では、ケーブルコア９１０と断熱管９２０の内管９２１との間の空間が液体窒素等の冷媒で充填され、これによりケーブルコア９１０及び内管９２１が極低温状態に冷却されている。このような冷却状態では、ケーブルコア９１０が熱収縮しているが、ケーブルコア９１０に過大な張力がかかった状態にならないよう、断熱管９２０の内管９２１及び外管９２２には波付け加工を施して高い可撓性を持たせている。
【０００５】
上記のような構成の超電導ケーブルを管路などの地中部に布設する際には、超電導ケーブルの先端にプーリングアイと呼ばれる金具を取り付け、これにロープなどを取り付けて数百ｍの長さにわたって管路や洞道に引き込む方法がとられる。このとき、超電導ケーブルの先端には大きな張力が加わるため、超電導導体が損傷してしまったり、断熱管の内管及び外管に施された波付け加工が延伸してしまって、超電導ケーブルを好ましい状態で管路等の内部に引き込むのが困難といった問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献１ではケーブルコアの中心を形成しているフォーマをプーリングアイに接続するように構成された超電導ケーブルが開示されており、これによりプーリングアイに加えられた張力をフォーマが分担するようにしている。その結果、超電導導体や断熱管の内管、外管に張力が直接加えられるのを防止することが可能となっている。
【特許文献１】特開２００５−３１２２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術では以下のような問題があった。
特許文献１では、プーリングアイに加えられる張力をフォーマが分担するように構成されているため、この張力によってフォーマが引っ張られて延伸してしまうおそれがあった。フォーマが延伸してしまうと、その外周に巻き付けられた超電導導体に引張応力が加えられ、これにより超電導導体も延伸してその超電導特性が劣化してしまうといった問題があった。
【０００８】
また、超電導導体は、管路等への布設後その両端が拘束されるが、上記のように引張応力が加えられたままの状態で拘束されることから、その後液体窒素でケーブルコアが冷却されると、熱収縮により両端から引っ張られてさらに引張応力が加えられる。そのため、比較的機械的強度の低い酸化物超電導線を用いた場合には、機械的なダメージを受けて臨界電流特性等が劣化してしまうといった問題があった。
【０００９】
さらに、管路等が屈曲した部分では超電導ケーブルも屈曲され、フォーマを引っ張ることでケーブルコアが屈曲方向に引っ張られて断熱管の内管に押し付けられてしまう。その結果、超電導導体が側圧を受けて超電導線にダメージを与えてしまうといった問題があった。一例として、布設前に８０００Ａ近い臨界電流を持つ超電導ケーブルが、布設作業の影響によって１０％程度臨界電流を低下させ、さらに冷却によるダメージに起因して１０％程度臨界電流を低下させることで、臨界電流が６４００Ａ程度まで低下してしまうことがあった。
【００１０】
そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、プーリングアイをケーブル本体に好適に接続することで、超電導導体及び断熱管に張力を加えることなく布設可能な超電導ケーブルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の超電導ケーブルの第１の態様は、超電導導体と、それぞれ波付け加工された円筒状の内管と外管とを有して前記内管の内側に前記超電導導体を収納する断熱管とを具備するケーブル本体を少なくとも備える超電導ケーブルであって、前記内管又は前記外管の外表面に設置されたテンションメンバーと、前記ケーブル本体の少なくともいずれか一方の端部に設置されているプーリングアイと、を備え、前記テンションメンバーの先端が前記プーリングアイに接続されていることを特徴とする。このような態様により、超電導導体及び断熱管に張力を加えることなく超電導ケーブル全体を牽引でき、極低温状態に冷却しても断熱管の可撓性を損なわない。
【００１２】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、前記プーリングアイに接続されている前記端部あるいはその近傍のみで前記内管又は前記外管に固定されていることを特徴とする。このような態様により、プーリングアイが牽引されると、超電導導体と断熱管の内管又は外管がテンションメンバーを介してプーリングアイに牽引される。
【００１３】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記プーリングアイは、プーリングアイ本体と固定金具とを備え、前記テンションメンバーが前記内管の外表面に設置されてその先端が前記プーリングアイ本体に接続され、前記固定金具には前記外管の端部が接続されていることを特徴とする。このような態様により、プーリングアイが牽引されると、超電導導体と断熱管の内管とがテンションメンバーを介してプーリングアイに牽引され、それと同時に外管が固定金具を介してプーリングアイに牽引される。
【００１４】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記プーリングアイは、プーリングアイ本体と固定金具とを備え、前記テンションメンバーが前記外管の外表面に設置されてその先端が前記固定金具に接続され、前記プーリングアイ本体には前記外管の端部が接続されていることを特徴とする。このような態様により、プーリングアイが牽引されると、テンションメンバーと断熱管の外管とがプーリングアイによって一体に牽引され、これにより超電導導体と断熱管とが一体に牽引される。
【００１５】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記超電導導体は、前記テンションメンバーより小さいヤング率を有する円筒形状のフォーマの外周に配置されており、前記フォーマが前記プーリングアイに接続されていることを特徴とする。フォーマに応力をほとんどかけない状態で、フォーマもプーリングアイに接続させるように構成することが可能となる。
【００１６】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、ステンレステープをピッチ３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下として前記内管又は前記外管に螺旋状に巻付けて形成されていることを特徴とする。このようにピッチ３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下とした場合、超電導ケーブルが曲折した状態でもテンションメンバーに均等に力をかけることができる。
【００１７】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、高張力高分子繊維を撚って形成された１以上の繊維テープを前記内管又は前記外管の外表面に配置して形成されていることを特徴とする。このように金属に比べて熱伝導率が小さい高分子繊維を用いることで、内管と外管の間でスペーサとしての機能を有することもできる。
【００１８】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、高張力高分子繊維を網状に撚り合わせて形成したものを前記内管又は前記外管の外表面を覆うように配置して形成されていることを特徴とする。このように網状に撚り合わせて形成されたテープ状のものを巻きつけて施工するということにより、簡単にテンションメンバーを形成することが可能である。
【００１９】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記テンションメンバーは、厚さ又は直径が前記内管と前記外管との間隔に略等しい断面を有する線状体を前記内管と前記外管との間に略等間隔に４本以上１０本以下配置して形成されていることを特徴とする。このようにテンションメンバーを配置することで、テンションメンバーは牽引の役割とともに、内管と外管との間隔を一定にするためのスペーサの役割を果たすことができる。
【００２０】
本発明の超電導ケーブルの他の態様は、前記内管及び前記外管は、それぞれの直径の５％以上２０％以下の波高でかつ前記波高の１倍以上４倍以下のピッチとなるよう波付け加工されていることを特徴とする。内管、外管は、ともにこのように波付け加工されることによって高い可撓性を有する。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、少なくともいずれか一方の端部にプーリングアイを設置するとともに、テンションメンバーを断熱管の内管又は外管の外表面に設け、テンションメンバーをプーリングアイに接続することにより、超電導導体及び断熱管に張力を加えることなく布設することが可能な超電導ケーブルを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態における超電導ケーブルについて、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る超電導ケーブルの構造を、図１、図２及び図３を用いて以下に説明する。図１は、本実施形態の超電導ケーブル１００を示す長手方向断面図であり、図２は超電導ケーブル１００に備えられたケーブル本体１０１の断面図、図３はケーブル本体１０１に備えられたケーブルコア１１０を示す側面図である。なお、図１では、ケーブルコア１１０については、断面図でなく側面図で示している。
【００２４】
超電導ケーブル１００は、ケーブルコア１１０と断熱管１２０とを備えたケーブル本体１０１と、その端部に接続されたプーリングアイ１３０とから構成されており、ケーブルコア１１０は断熱管１２０の内部に収納されている。
【００２５】
ケーブルコア１１０は、フォーマ１１１の外周に超電導導体１１２を配置し、その外周に電気絶縁層１１３と保護層１１４とを設けた構造としている。本実施形態では、超電導導体１１２として例えばＢｉ系やＹ系超電導材料を用いることができ、これをテープ状に形成したテープ状線をフォーマ１１１上に螺旋状に巻付けて配置することができる。
【００２６】
フォーマ１１１は、超電導導体１１２の形状を保持するのに用いられるものであり、例えば非磁性の金属材料を用いることができる。電気絶縁層１１３は、クラフト紙等の絶縁紙を超電導導体１１２の上部に巻付けて形成することができる。保護層１１４は、導電性の紙あるいは銅の編組線を用いて形成することができる。図１には省略しているが、保護層１１４と電気絶縁層１１３の間に、超電導導体を配置することもできる。この場合、超電導体は、超電導導体１１２と逆向きの電流を流すことで、ケーブルから発生する磁界を閉じ込めて、漏洩磁界を下げることができる。
【００２７】
また、断熱管１２０は、同軸管である内管１２１と外管１２２、及びその間に配置された断熱層１２３を備えている。内管１２１及び外管１２２には、例えばステンレスあるいはアルミニウム等の金属を用いることができ、断熱層１２３には、アルミ蒸着の高分子材フィルムとポリエチレンネットとを積層させて構成されたスーパーインシュレーションを用いることができる。
【００２８】
プーリングアイ１３０は、ケーブル本体１０１を牽引する際に用いられるものであり、プーリングアイ本体１３１と、これにネジ接続された固定金具１３２とを備えている。プーリングアイ本体１３１には、布設時に超電導ケーブル本体１０１を牽引するロープ等を接続するための引張り帽１３１ａが設けられている。
【００２９】
ケーブル本体１０１の端部にプーリングアイ１３０が接続された本実施形態の超電導ケーブル１００は、使用可能となる前の所定の管路等に布設されるときの状態のものである。この場合には、ケーブルコア１１０及び断熱管１２０を固定する必要はとくになく、布設中にこれらが損傷するのを防止することが重要である。
【００３０】
超電導ケーブル１００が所定の管路等に布設された後は、プーリングアイ１３０がケーブル本体１０１から切り離され、これに代えて所定の端末封止金具が取り付けられる。端末封止金具にはケーブルコア１１０及び断熱管１２０が固定され、これによりケーブルコア１１０が例えば断熱管１２０の中心に位置するように保持される。この状態で超電導導体１１２が液体窒素などを用いて極低温状態に冷却され、超電導状態が実現される。
【００３１】
超電導ケーブル１００が超電導状態にあるとき、内管１２１の内側は液体窒素で冷却されて極低温状態に維持される一方、外管１２２の外側は例えば室温状態となっていることから、極低温状態と室温状態との間の熱移動をできるだけ低減させるよう、断熱管１２０を用いて高い断熱性を実現する必要がある。そこで、内管１２１と外管１２２との間に断熱層１２３を設けるとともに、内管１２１と外管１２２との間を例えば０．１ＭＰａ以下の高真空状態に排気維持している。このような高真空状態を維持できるようにするために、断熱管１２０には溶接不良やクラック、ピンホール等がないようにして、高い気密性を実現している。
【００３２】
内管１２１及び外管１２２は、ともに波付けされて高い可撓性を有しており、これにより冷却中及び極低温状態において超電導導体１１２に大きな応力が加わるのを防止している。すなわち、超電導ケーブル１００が使用可能となる状態では、ケーブルコア１１０と断熱管１２０の内管１２１との間の空間に液体窒素等の冷媒が充填され、例えば７７Ｋ程度の極低温状態に冷却される。これによりケーブルコア１１０及び内管１２１はともに熱収縮するが、このとき両者が必ずしも等しい長さだけ熱収縮するとは限らない。そこで、内管１２１を波付け加工して高い可撓性を持たせることにより、ケーブルコア１１０と内管１２１との熱収縮の差を吸収させるようにしている。このように、内管１２１に高い可撓性を持たせることで、極低温状態でケーブルコア１１０に内管１２１から大きな応力が加えられたままになるのを防止している。
【００３３】
また、外管１２２の外側は通常は室温状態であることから、外管１２２には上記のような熱収縮が発生しない。その結果、ケーブルコア１１０及び内管１２１と外管１２２との間で長さが異なってしまうことになるが、外管１２２に対しても波付け加工して可撓性を持たせることで、ケーブルコア１１０及び内管１２１が熱収縮したのと略等しい長さだけ外管１２２も収縮できるようにしている。これにより、ケーブルコア１１０及び断熱管１２０のいずれにも応力が発生しない構成としている。
【００３４】
本実施形態では、布設時にプーリングアイ１３０に加えられる張力がケーブル本体１０１に直接加わるのを防止するために、内管１２１の外表面にテンションメンバー１４０を配置するようにしている。テンションメンバー１４０は、超電導ケーブル１００の布設時に利用されるものであるが、布設が完了した後も内管１２１の外表面に設置されたままとなる。そこで、超電導ケーブル１００の布設時はケーブル本体１０１の変形等を防止するためにこれを一体に牽引できるようにするとともに、極低温状態に冷却中断熱管１２０の可撓性を損なわないようにテンションメンバー１４０を設置する必要がある。本実施形態では、テンションメンバー１４０を以下のように配置している。
【００３５】
テンションメンバー１４０は、ケーブル本体１０１がプーリングアイ１３０と接続される側の端部において、内管１２１に固定されている。図１及び図２では、テンションメンバー１４０が内管１２１に固定される位置を固定部１４１で示している。テンションメンバー１４０は、ステンレス、Ｎｉ合金等の高張力合金、またはアラミド樹脂やアラミド繊維等の高張力スーパー繊維、等を用いて形成し、張力を高めることができる。
【００３６】
上記のように内管１２１に固定されたテンションメンバー１４０を、本実施形態ではプーリングアイ本体１３１に固定している。また、これと同時に固定金具１３２には外管１２２を固定している。プーリングアイ本体１３１にテンションメンバー１４０を固定する方法、及び固定金具１３２に外管１２２を固定する方法は、ともに溶接接続する方法を用いている。このような接続により、プーリングアイ１３０が牽引されると、ケーブルコア１１０と断熱管１２０の内管１２１とがテンションメンバー１４０を介してプーリングアイ１３０に牽引され、それと同時に外管１２２が固定金具１３２を介してプーリングアイ１３０に牽引される。
【００３７】
ケーブル本体１０１にプーリングアイ１３０を接続する工程を、図１を用いて以下に説明する。まず、プーリングアイ本体１３１の第１溶接部１３１ｂにテンションメンバー１４０の端部を溶接して接合する。その後、固定金具１３２をプーリングアイ本体１３１のネジ部にねじ込んで固定し、固定金具１３２の先端にある第２溶接部１３２ａに外管１２２を溶接接合する。なお、第２溶接部１３２ａの溶接は全周溶接とするのがよく、これにより外部から水などが浸入しないよう気密化するのが好ましい。
【００３８】
上記のように、プーリングアイ１３０でテンションメンバー１４０と外管１２２とを牽引するようにした結果、ケーブルコア１１０に張力が直接加わることなく、内管１２１に固定されたテンションメンバー１４０でケーブルコア１１０及び内管１２１を管路等に引き込むことが可能となる。また、固定金具１３２で外管１２２を同時に牽引するようにしたことにより、ケーブルコア１１０と内管１２１及び外管１２２を一体に牽引することが可能となり、それぞれの間に大きな応力が発生したり変形してしまうのを防止することができる。
【００３９】
なお、ケーブルコア１１０のフォーマ１１１もプーリングアイ１３０に接続させるように構成することも可能であるが、この場合にはヤング率がテンションメンバー１４０より小さいフォーマ１１１を用いるのが好ましい。これにより、プーリングアイ１３０からケーブル本体１０１に加えられる応力をテンションメンバー１４０が分担するようにし、フォーマ１１１はほとんど分担しないようにすることができる。
【００４０】
本発明の別の実施の形態に係る超電導ケーブルを、図４を用いて以下に説明する。本実施形態では、プーリングアイ２３０とケーブル本体１０１との接続方法が、上記の実施形態と異なっている。また、テンションメンバー２４０が、本実施形態では外管１２２の外表面に固定されている点も、上記の実施形態と異なっている。本実施形態のテンションメンバー２４０は、固定部２４１で外管１２２に固定されている。
【００４１】
図４に示すように、プーリングアイ本体２３１には外管１２２が第１溶接部２３１ｂで溶接接続されており、固定金具２３２にはテンションメンバー２４０の端部が第２溶接部２３２ａで溶接接続されている。プーリングアイ本体２３１には、布設時に超電導ケーブル本体１０１を牽引するロープ等を接続するための引張り帽２３１ａが設けられている。本実施形態では、テンションメンバー２４０を固定金具２３２に固定し、プーリングアイ本体２３１には外管１２２を固定するようにしている。
【００４２】
ケーブル本体１０１とプーリングアイ本体２３１との接続を上記のように行うことにより、プーリングアイ２３０が牽引されると、テンションメンバー２４０と外管１２２とがプーリングアイ２３０に一体に牽引され、これによりケーブルコア１１０と断熱管１２０とが一体に牽引される。その結果、ケーブルコア１１０に張力が加えられるおそれはなく、また断熱管１２０が引き伸ばされてしまうおそれもなくなる。
【００４３】
なお、本実施形態でもケーブルコア１１０のフォーマ１１１をプーリングアイ２３０に接続させるように構成することが可能であるが、この場合にもテンションメンバー２４０より小さいヤング率のフォーマ１１１を用いるのが好ましい。
【００４４】
本実施形態では、上記構成に加えて、プーリングアイ２３０を牽引してケーブル１０１を管路等に引き込むときに、摩擦等によって断熱管１２０やテンションメンバー２４０が損傷するのを防止するために、テンションメンバー２４０の外周に保護被覆部２５０を設けている。この保護被覆部２５０はまた、布設後には断熱管１２０等が腐食するのを防止している。保護被覆部２５０は、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ナイロンなどの樹脂を用いて形成することができる。このような保護被覆部は、第１の実施形態でも設置することが可能である。
【００４５】
断熱管１２０の構成を、製造工程手順により説明する。ステンレスまたはアルミニウムの他に、銅あるいはこれらを主成分とする合金のいずれかの金属からなる厚さ０．５ｍｍから２ｍｍまでの板を用い、ケーブルコア１１０を収納するように円筒状に形成する。その後、外部から波つけ加工を施して、内管１２１を形成する。その後、内管１２１の外側に、断熱層１２３を内管に隙間なく巻きつけて形成する。さらにその外側に、厚さ０．５ｍｍから２ｍｍまでの金属板を、円筒状に形成して、その外部に波つけ加工を施して、外管１２２を形成する。波付け加工は、内管１２１又は外管１２２の直径に対し５から２０％の深さの波高とし、ひとつの山谷のピッチ（波周期）を波高の１倍から４倍となるよう行っている。
【００４６】
また、テンションメンバー１４０または２４０は、超電導ケーブル１００の布設中はこれを一体に牽引できるようにしてケーブル本体１０１の変形等を防止するとともに、超電導状態の時には断熱管１２０の可撓性を損なわないようにするために、テープ状に形成されたステンレステープを内管１２１または外管１２２の外表面に螺旋状に巻付けて形成されている。これに限らず、例えば内管１２１または外管１２２に沿って長手方向に配置してもよい。ステンレステープを螺旋状に巻付けてテンションメンバー１４０または２４０を形成する場合には、巻付けのピッチを３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下とするのが好ましい。ここで、巻付けのピッチとは、１本のステンレステープを内管１２１または外管１２２の外周に螺旋状に１回転周回させたときの長手方向の移動距離としている。
【００４７】
テンションメンバー１４０または２４０の形状は、テープ形状に限らず、例えば四角線や丸線等とすることができ、これを内管１２１または外管１２２に沿って配置したり、螺旋状に巻きつけて設置することができる。また、テンションメンバー１４０または２４０に用いる材料として、上記のステンレステープの他に、ステンレス線やインバー線等を用いてもよい。これらのステンレステープ又は線材を内管１２１または外管１２２の外表面に１層だけ巻付けてもよく、あるいは逆方向に２層巻付けてテンションメンバー１４０または２４０を形成してもよい。２層巻付けた場合には、それぞれの層がお互いに逆向きの回転方向に引っ張られることから、断熱管１２０にねじれが発生するのを防止することができる。
【００４８】
テンションメンバー１４０または２４０に用いるさらに別の材料として、ケブラー（米国デュポン社の登録商標）やアリレート繊維等の高張力高分子繊維を用いることも可能である。これらを用いる場合、上記のように内管１２１または外管１２２に直接巻付けてテンションメンバー１４０または２４０を形成する他に、各繊維を用いて事前にテープ状に撚っておき、これを内管１２１または外管１２２の外表面に設置することも可能である。このように、テープ状に撚った後に内管１２１または外管１２２の外表面に設置したテンションメンバーの実施形態を図５に示す。テンションメンバー３４０は、上記のような高張力高分子繊維を撚って形成された複数の繊維テープ３４１で構成されている。テンションメンバー３４０をこのようなテープ状に形成することにより、テンションメンバー３４０が内管１２１または外管１２２に一端だけ固定されている場合でも、ケーブル本体１０１の全体を把持するようにして管内等に引き込むことが可能となる。
【００４９】
本発明のさらに別の実施形態のテンションメンバーとして、内管１２１または外管１２２の外表面に網状に撚り合わせて形成することも可能である。このようにして形成されたテンションメンバーの実施例を図６に示す。テンションメンバー４４０は、高張力高分子繊維を用いて網状に撚り合わせて形成したものであり、これを内管１２１または外管１２２の外表面を覆うようにして設置している。テンションメンバー４４０をこのような網状に形成することにより、テンションメンバー４４０が内管１２１または外管１２２に一端だけ固定されている場合でも、ケーブル本体１０１の全体を把持するようにして管内等に引き込むことが可能となる。
【００５０】
本発明のさらに別の実施形態のテンションメンバーを、図７を用いて説明する。本実施形態のテンションメンバー５４０は、厚さ又は直径が内管１２１と外管１２２との間隔に略等しい断面を有する線状に形成されており、これを４本から１０本程度、内管１２１と外管１２２との間に略等間隔に配置して内管１２１に巻付けている。このように設置されたテンションメンバー５４０は、ケーブル本体１０１の布設時にこれを牽引するとともに、内管１２１と外管１２２との間隔を一定にするためのスペーサの役割を果たすことができる。
【００５１】
なお、図７に示す実施形態では、テンションメンバー５４０が内管１２１だけでなく外管１２２にも接触することから、外管１２２からテンションメンバー５４０を経由して内管１２１に熱が伝わるのをできるだけ低減するために、できるだけ熱伝導の低い材料を用いてテンションメンバー５４０を形成するのがよい。
【００５２】
内管１２１と外管１２２との間に設置される断熱層１２３は、図１のようにテンションメンバー１４０が内管１２１の外表面に設置されている第１の実施形態では、テンションメンバー１４０のさらに外周に配置されている。断熱層１２３には、例えばアルミニウムを樹脂フィルムに蒸着させて形成したものを用いることができる。なお、テンションメンバー１４０が断熱層１２３を損傷させるおそれがある場合には、テンションメンバー１４０の外周に金属鋼帯や繊維テープなどを巻付け、その上に断熱層１２３を設置するようにするのがよい。
【００５３】
上記のように構成された超電導ケーブル１００、２００では、管路等に布設された後内管１２１の内部に液体窒素が充填されると、ケーブルコア１１０と内管１２１、及びその外表面にテンションメンバー１４０が設置されている場合にはこれが、ともに液体窒素温度まで冷却されて略等しい長さだけ熱収縮する。その結果、内管１２１及びテンションメンバー１４０がケーブルコア１１０に応力を加えるおそれはなく、超電導導体１１２を破損させたり特性を変化させてしまうといったおそれがなくなる。
【００５４】
また、ケーブルコア１１０と内管１２１とで熱収縮する長さが異なる場合でも、内管１２１に可撓性を持たせていることから、内管１２１がケーブルコア１１０と略等しい長さに収縮される。また、第１の実施形態において、テンションメンバー１４０が熱収縮する長さがケーブルコア１１０や内管１２１と異なる場合でも、テンションメンバー１４０が第１固定部１４１のみで内管１２１に固定されていることから、テンションメンバー１４０が内管１２１に応力を加えることはない。
【００５５】
さらに、上記のようにテンションメンバー１４０または２４０が容易に収縮できるような形状で内管１２１または外管１２２に設置されることから、テンションメンバー１４０または２４０も内管１２１、外管１２２及びケーブルコア１１０と略等しい長さに収縮することができる。その結果、内管１２１、外管１２２及びテンションメンバー１４０がケーブルコア１１０に応力を加えてこれを破損させたり特性を変化させてしまうといったおそれがなくなる。
【００５６】
一方、断熱管１２０の外管１２２は、その温度が室温程度に維持されているため熱収縮することは無いものの、波付け加工されて高い可撓性を有していることから、内管１２１等の熱収縮に伴って容易に収縮することができる。このように、冷却によるケーブルコア１１０等の熱収縮に伴い、断熱管１２０の内管１２１と外管１２２、及びテンションメンバー１４０のいずれもが、ほとんど相互に応力を加えることなく収縮することができる。その結果、冷却時に内管または外管がテンションメンバーに引っ張られて容易に収縮できないといった従来の問題を解消することができ、ケーブルコア１１０及びこれに設置された超電導導体１１２を損傷するのを防止することができる。
【００５７】
本実施形態の超電導ケーブル１００を布設した一実施例として、長さ５００ｍの超電導ケーブル１００を所定の管路に引き込んだとき、プーリングアイ１３０には最大で１７０ｋＮの張力が加えられたが、超電導導体１１２にはその張力が全く加えられなかった。その結果、超電導導体１１２の超電導性能には全く影響を与えることはなかった。本実施形態では、ケーブルコア１１０に張力が加えられることはないため、管路に沿ってケーブル本体１０１が屈曲されている部分でも、これが断熱管１２０に押し付けられて側圧が加えられるといった事態を避けることができる。これにより、超電導導体１１２の外周を取り巻いている電気絶縁層１１３に対しても、つぶれや擦れ等の損傷を加えることはなく、電気絶縁性能上の問題が発生することはなかった。
【００５８】
また、超電導ケーブル１００を所定の管路に布設した後、ケーブル本体１０１の端部を所定の終端接続部に接続して液体窒素を充填し、これによりケーブルコア１１０を所定の極低温状態まで冷却したところ、長さ５００ｍのケーブルコア１１０は１.５ｍ熱収縮した。ケーブルコア１１０とともに内管１２１及びテンションメンバー１４０も同様に熱収縮しており、それとともに外管１２２もスムーズに収縮されたことで、超電導ケーブル本体１０１が途中で座屈することもなく、また端部でクラックが発生してリークが生じるといった事態も回避できた。さらに、超電導導体１１２の臨界電流が低下することもなく、健全に布設及び冷却を行うことができたことを確認した。
【００５９】
上記実施形態では、電力送電用の超電導電力ケーブルを例に説明したが、これに限定されず、例えば超電導電力貯蔵装置、あるいは核融合炉などで使用する大型超電導マグネットに電力供給する超電導バスラインなどに適用することも容易に可能である。本実施の形態における記述は、本発明に係る超電導ケーブルの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における電導ケーブルの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態に係る超電導ケーブルの長手方向断面図である。
【図２】本実施形態の超電導ケーブルに内蔵されるケーブル本体の断面図である。
【図３】本実施形態の超電導ケーブルに内蔵されるケーブルコアの側面図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係る超電導ケーブルの長手方向断面図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態で用いられるテンションメンバーを示す斜視図である。
【図６】本発明のさらに別の実施形態で用いられるテンションメンバーを示す断面図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態に係る超電導ケーブルの径方向断面図である。
【図８】従来の超電導ケーブルの一例を示す長手方向断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１００、２００、９００ 超電導ケーブル
１０１ ケーブル本体
１１０、９１０ ケーブルコア
１１１、９１１ フォーマ
１１２、９１２ 超電導導体
１１３、９１３ 電気絶縁層
１１４、９１４ 保護層
１２０、９２０ 断熱管
１２１、９２１ 内管
１２２、９２２ 外管
１２３、９２３ 断熱層
１３０、２３０ プーリングアイ
１３１、２３１ プーリングアイ本体
１３２、２３２ 固定金具
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０ テンションメンバー
１４１、２４１ 固定部
２５０ 保護被覆部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導導体と、それぞれ波付け加工された円筒状の内管と外管とを有して前記内管の内側に前記超電導導体を収納する断熱管とを具備するケーブル本体を少なくとも備える超電導ケーブルであって、
前記内管又は前記外管の外表面に設置されたテンションメンバーと、
前記ケーブル本体の少なくともいずれか一方の端部に設置されているプーリングアイと、を備え、
前記テンションメンバーの先端が前記プーリングアイに接続されている
ことを特徴とする超電導ケーブル。
【請求項２】
前記テンションメンバーは、前記プーリングアイに接続されている前記端部あるいはその近傍のみで前記内管又は前記外管に固定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル。
【請求項３】
前記プーリングアイは、プーリングアイ本体と固定金具とを備え、
前記テンションメンバーが前記内管の外表面に設置されてその先端が前記プーリングアイ本体に接続され、
前記固定金具には前記外管の端部が接続されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導ケーブル。
【請求項４】
前記プーリングアイは、プーリングアイ本体と固定金具とを備え、
前記テンションメンバーが前記外管の外表面に設置されてその先端が前記固定金具に接続され、
前記プーリングアイ本体には前記外管の端部が接続されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導ケーブル。
【請求項５】
前記超電導導体は、前記テンションメンバーより小さいヤング率を有する円筒形状のフォーマの外周に配置されており、
前記フォーマが前記プーリングアイに接続されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項６】
前記テンションメンバーは、ステンレステープをピッチ３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下として前記内管又は前記外管に螺旋状に巻付けて形成されている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項７】
前記テンションメンバーは、高張力高分子繊維を撚って形成された１以上の繊維テープを前記内管又は前記外管の外表面に配置して形成されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項８】
前記テンションメンバーは、高張力高分子繊維を網状に撚り合わせて形成したものを前記内管又は前記外管の外表面を覆うように配置して形成されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項９】
前記テンションメンバーは、厚さ又は直径が前記内管と前記外管との間隔に略等しい断面を有する線状体を前記内管と前記外管との間に略等間隔に４本以上１０本以下配置して形成されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項１０】
前記内管及び前記外管は、それぞれの直径の５％以上２０％以下の波高でかつ前記波高の１倍以上４倍以下のピッチとなるよう波付け加工されている
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項１】
超電導導体と、それぞれ波付け加工された円筒状の内管と外管とを有して前記内管の内側に前記超電導導体を収納する断熱管とを具備するケーブル本体を少なくとも備える超電導ケーブルであって、
前記内管又は前記外管の外表面に設置されたテンションメンバーと、
前記ケーブル本体の少なくともいずれか一方の端部に設置されているプーリングアイと、を備え、
前記テンションメンバーの先端が前記プーリングアイに接続されている
ことを特徴とする超電導ケーブル。
【請求項２】
前記テンションメンバーは、前記プーリングアイに接続されている前記端部あるいはその近傍のみで前記内管又は前記外管に固定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導ケーブル。
【請求項３】
前記プーリングアイは、プーリングアイ本体と固定金具とを備え、
前記テンションメンバーが前記内管の外表面に設置されてその先端が前記プーリングアイ本体に接続され、
前記固定金具には前記外管の端部が接続されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導ケーブル。
【請求項４】
前記プーリングアイは、プーリングアイ本体と固定金具とを備え、
前記テンションメンバーが前記外管の外表面に設置されてその先端が前記固定金具に接続され、
前記プーリングアイ本体には前記外管の端部が接続されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導ケーブル。
【請求項５】
前記超電導導体は、前記テンションメンバーより小さいヤング率を有する円筒形状のフォーマの外周に配置されており、
前記フォーマが前記プーリングアイに接続されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項６】
前記テンションメンバーは、ステンレステープをピッチ３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下として前記内管又は前記外管に螺旋状に巻付けて形成されている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項７】
前記テンションメンバーは、高張力高分子繊維を撚って形成された１以上の繊維テープを前記内管又は前記外管の外表面に配置して形成されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項８】
前記テンションメンバーは、高張力高分子繊維を網状に撚り合わせて形成したものを前記内管又は前記外管の外表面を覆うように配置して形成されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項９】
前記テンションメンバーは、厚さ又は直径が前記内管と前記外管との間隔に略等しい断面を有する線状体を前記内管と前記外管との間に略等間隔に４本以上１０本以下配置して形成されている
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【請求項１０】
前記内管及び前記外管は、それぞれの直径の５％以上２０％以下の波高でかつ前記波高の１倍以上４倍以下のピッチとなるよう波付け加工されている
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の超電導ケーブル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２８７８９７（Ｐ２００８−２８７８９７Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２８８２６（Ｐ２００７−１２８８２６）
【出願日】平成１９年５月１５日（２００７．５．１５）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１５日（２００７．５．１５）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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