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超伝導ケーブル、及び交流送電ケーブル コモンズ 外国出願あり

国内特許コード P120006590
整理番号 9058PCT/JP
掲載日 2012年2月2日
出願番号 特願2011-535421
登録番号 特許第5967752号
出願日 平成22年10月6日(2010.10.6)
登録日 平成28年7月15日(2016.7.15)
国際出願番号 JP2010067549
国際公開番号 WO2011043376
国際出願日 平成22年10月6日(2010.10.6)
国際公開日 平成23年4月14日(2011.4.14)
優先権データ
  • 特願2009-233415 (2009.10.7) JP
発明者
  • 松下 照男
出願人
  • 国立大学法人九州工業大学
発明の名称 超伝導ケーブル、及び交流送電ケーブル コモンズ 外国出願あり
発明の概要 超伝導体における縦磁界を強調することにより、電力の輸送効率を最大限に上げると共に、ケーブル自体を小型化した超伝導ケーブルを提供する。
超伝導体を用いて電力を送電する超伝導ケーブル1において、超伝導ケーブル1の長手方向を基準方向とし、基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導材からなる導電部4を備え、導電部4が複数の層からなり、最内層2から最外層3に向かって、螺旋の角度が基準方向に対して順次異なる角度であり、導電部4に流れる電流により当該電流の流れと同方向に磁界を生じさせることを特徴とする。
従来技術、競合技術の概要


現在、電力輸送において一般的には銅ケーブルを用いた交流電力輸送が行われている。こうした電力輸送では電気抵抗によるジュール損が発生するため、例えばCO2排出のような環境問題や省エネルギー問題の観点から送電損失を小さくし、ケーブルを小型化することが望まれる。



その点において、超伝導体を用いた電力ケーブルは、送電損失が小さく、大電流を流すことができるメリットがある。特に、直流送電では、電気抵抗が0となるため、送電損失が全く無い状態で電力を輸送することが可能となる。加えて、超伝導送電ではその特長を活かして大電流送電が可能となるので、従来のような発電所近傍と都市近傍の昇圧、及び降圧の変電施設を省略でき、この点においても経済的である。



実用的な超伝導送電は、電流密度がそれほど高くはないが、液体窒素による簡単な冷却が可能な高温超伝導体を用いた方法があり、実際にそうした方式が採用されている。したがって、どれだけの大電流を送電できるのかといった点が今後の超伝導送電ケーブルの設計において重要な問題となる。



また、超伝導体は、低温で電気抵抗がないという特性を有することから、エネルギー関連工学、エレクトロニクス、医療の分野など多岐にわたって応用が期待されている。通常、磁界下で電流を流した場合、超伝導体中で量子化した磁束にローレンツ力が働き、その作用で磁束が速度vで運動すれば、磁束密度をBとしてE=B×vの誘導起電力が生じる。そのため、超伝導体中の常伝導電子が駆動され、金属と同様の電気抵抗が生じてしまう。



超伝導体に電気抵抗なしに流せる最大電流密度である臨界電流密度は磁束ピンニング機構(内部の磁束に働くローレンツ力に抗し、その動きを止めて誘導電界が発生することを防ぐ作用)で決まり、その値は磁界の増加とともに減少する。電力ケーブルの場合、その内部で発生する磁界の強さはさほど大きなものではないが、特に大電流送電を行う場合には、磁界の強さが最大で0.5Tに達することもあり、臨界電流密度の低下は大きな問題となる。



このような、磁界と電流とがなす角度が0°でない場合(以下、斜め磁界とする。また、特に角度が90°の場合を横磁界とする)に比べて、磁界と電流が平行な場合(以下、縦磁界とする)には、量子磁束にローレンツ力が働かず、奇異な現象が観測される。その現象の一つが、臨界電流密度が大幅に増加することである(以下、この現象を縦磁界効果とする)。通常横磁界において臨界電流密度は、磁界の増加と共に減少する。しかし、縦磁界下では、逆に臨界電流密度が増大することが知られている。縦磁界における電流と磁界が平行な状態をフォースフリー状態と言い、電流密度をJとすると、J×B=0が成り立つことが知られている。このような状態では、磁束が図10に示すように扇を開いたような歪み(フォースフリー歪み)を有する。



一般的な条件として金属系超伝導導体の場合、超伝導線に交流電流を流すときには、交流損失を減ずることが重要となる。互いに独立した細線の超伝導線に分割すれば、交流損失の起源であるヒステリシス損失を減ずることができる。しかしながら、現実には磁気的な不安定性に備え、電流が渡り合えるように常伝導金属からなる安定化層を介して電磁的に結合した構造となっている。そのため、細線に分割した効果がなく、実質的に交流損失は小さくならない。これは、電流による自己磁界(周方向の磁界)が表面からしか侵入しないためであり、それが到達しない内部には一切電流が流れない。



こうした問題を解決するために、細線の超伝導線を銅などの金属に埋め込んだ多芯線を周方向にツイストする技術が生まれた。これによって周方向の磁界が安易に内部に侵入し、内側の超伝導線にも電流が流れ、交流損失を減ずることができる。このとき、交流損失はツイストピッチに比例する。



送電ケーブルなど、大きな電流容量を必要とする場合は、1本の超伝導線では不十分であるため、一般的にそれらを何本か束ねて超伝導導体とする。このとき、各超伝導線はその製造方法により、内部の螺旋構造が同じ方向の捻りで、かつ同一のピッチとなる。ところが、このような構造にすると、それまでは無視していたツイストにより生じる交流の縦磁界に損失が無視できなくなる。したがって、内部の縦磁界成分を最小にするように、導体を構成する各超伝導線のツイストを素線のツイストと逆方向にするのが一般的である。



高温超電導体の場合、結晶構造と電磁特性の特異性からテープ形状であり、例え多芯線化していても、現状では電磁的な結合が強く、多芯線化の効果は商用周波数ではあまりない。



したがって、ツイストの効果を導入するのは、多数の超伝導線を集合して導体を構成する場合であり、内部と外部の線を逆方向にツイストすることで、極力縦方向の磁界を小さくするようにしている。



上記のような現状を踏まえ、超伝導ケーブルに関する技術として、例えば特許文献1ないし7に示す技術が開示されている。特許文献1に示す技術は、導体層の撚り角度が、半径方向に最も内側の導体層の撚り角度と半径方向に最も外側の導体層の撚り角度との間で段階的に層から層へ増大、又は減少するものである。特許文献2に示す技術には、同様の交流ケーブルにおいて損失を減ずるための撚り角度を求めるための計算方法が開示されている。



特許文献3に示す技術は、積層型超電導ケーブルであって、複数の超電導体層が同心上に複合された、往路層又は通電層が4層以上の往復同軸ケーブルまたはシールド層を有する三相一括型ケーブルにおいて、各層の巻きピッチ角が規格化層心半径の3次式になるように製作することで、各層のインダクタンスが均一化して臨界電流が増大するものである。



特許文献4に示す技術は、構成の異なる2種類のケーブルコア(第一コア,第二コア)を撚り合わせ、断熱管内に収納させた超伝導ケーブルである。第一コアは、直流送電において往路線路又は極の送電線に用いられる第一超電導層を具え、第一超電導層以外の超電導層を有していない。第二コアは、直流送電において帰路線路又は中性線に用いられる第二超電導層を具え、第二超電導層以外の超電導層を有していない。第二超電導層は、第一超電導層の外径よりも大きな内径を有する。



特許文献5に示す技術は、超電導材料からなる超電導導体層及び外部超電導層を有するケーブルコアを2条撚り合わせて断熱管内に収納させた超伝導ケーブルである。各ケーブルコアは、中心から順にフォーマ、超電導導体層、絶縁層、外部超電導層、保護層を具える。単極送電では、両コアに具える超電導導体層に単極の電流を流して往路線路とし、両コアに具える外部超電導層に帰路電流を流して帰路線路とする。双極送電では、一方のコアに具える超電導導体層を正極の送電に用い、他方のコアに具える超電導導体層を負極の送電に用い、両コアの外部超電導層を中性線層とする。



特許文献6に示す技術は、酸化物高温超電導導体を複数個近接して同一方向に配列して、隣接する該酸化物高温超電導導体に互いに逆向きに電流が流れるように送電するものである。



特許文献7に示す技術は、偶数本のテープ状の超電導導体が転位撚り合わされてなる転位超電導テープユニット、転位超電導テープユニットを用いた超電導応用機器、転位超電導テープユニットを円筒状の管体の周囲に巻回してなる超電導ケーブルである。

産業上の利用分野


本発明は、超伝導体を用いて電力の輸送を行う超伝導ケーブル等に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
超伝導体を用いて電力を送電する超伝導ケーブルにおいて、
前記超伝導ケーブルの長手方向を基準方向とし、当該基準方向に対して正、又は負のいずれか一の角度で螺旋状に配設される超伝導材からなる第1導電部を備え、当該第1導電部が複数の層からなり、第1最内層から第1最外層に向かって、第1の螺旋の角度が前記基準方向に対して順次大きくなる角度である内側層と、
前記超伝導材からなる第2導電部で形成され、当該第2導電部が前記基準方向に対して、前記内側層に配設される前記第1導電部の螺旋方向と逆方向の螺旋方向に配設される外側層と、
前記内側層と外側層の間に配設された絶縁層とを備えることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項2】
請求項1に記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記第1の螺旋の角度が、前記基準方向に対して0度から60度の範囲内あることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項3】
請求項1又は2に記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記第1導電部が配設される前記第1の螺旋の角度が、前記第1導電部を流れる電流の角度と磁束密度の角度とが同一になる角度に調節されていることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項4】
請求項1ないし3のいずれかに記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記超伝導材が複数の超伝導テープであり、当該超伝導テープを並設して前記第1導電部及び前記第2導電部を形成すると共に、当該超伝導テープを流れる電流のバイパスとなる安定化層を備えることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項5】
請求項1ないし4のいずれかに記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記外側層が複数の層からなり、前記外側層における第2最内層から前記外側層における第2最外層に向かって、螺旋の角度が前記基準方向に対して順次異なる角度であることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項6】
請求項に記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記外側層における前記第2最内層が、前記基準方向とほぼ平行に配設されることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項7】
請求項1ないし6のいずれかに記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記内側層を流れる電流の方向と前記外側層を流れる電流の方向が、前記基準方向について、相互に反対方向であることを特徴とする超伝導ケーブル。

【請求項8】
請求項ないし7のいずれかに記載の超伝導ケーブルを3相に束ねた交流送電ケーブル。

【請求項9】
請求項1ないし7のいずれかに記載の超伝導ケーブルにおいて、
前記超伝導材が、少なくとも超伝導状態で電流が流れるテープ状の超伝導層を備え、当該超伝導材を複数並設して前記第1導電部及び前記第2導電部を形成し、
前記超伝導層の厚さが0.1μm以上、0.4μm以下であることを特徴とする超伝導ケーブル。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 登録
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