JP6891054B2 - 常電導接続部材及び超電導ケーブルの端末構造体 - Google Patents

Description

本発明は、超電導ケーブルの終端接続部等に用いられる常電導接続部材及び超電導ケーブルの端末構造体に関する。

従来、極低温で超電導状態になる超電導線材を導体として用いた超電導ケーブルが知られている。超電導ケーブルは、大電流を低損失で送電可能な電力ケーブルとして期待されており、特に、大規模プラント用超電導ケーブルとしての実用化に向けて開発が進められている。

超電導ケーブルは、断熱管内に一心又は複数心のケーブルコアが収容された構造を有するものが知られている。一心のケーブルコアとしては、例えば中心から順に、フォーマ、超電導導体層、電気絶縁層、ケーブルシールド層、及び保護層等を有する。また、一心のケーブルコアとしては、大容量の送電を可能とするために、フォーマの外周に、超電導導体層と、電気絶縁層とを交互に同心円状に配置した複数の超電導導体層を同一心で有する同軸型のケーブルコアが知られている。

断熱管は、ケーブルコアを収容し内部に冷媒（例えば液体窒素）が充填される内管（以下「断熱内管」）と、断熱内管の外周を覆う外管（以下「断熱外管」）を有する。断熱内管と断熱外管の間は、断熱のために真空状態とされる。

超電導ケーブルの終端接続部等に適用される超電導ケーブルの端末構造体においては、低温部となる低温容器に超電導ケーブルの端末部が収容され、超電導ケーブルの導体（例えば超電導導体層）が、電流導入端子である電流リード部を介して常温部に引き出される。低温容器は、超電導ケーブルの端末部を収容し、運転時に液体窒素等の冷媒が充填される冷媒槽と、冷媒槽を収容し運転時に真空状態とされる真空槽とからなる二重構造を有する。

電流リード部としては、特許文献１に示すように、超電導ケーブルの外周に接続されるフランジ状の電流リード部としての常電導接続部材が知られている。
この常電導接続部材は、超電導ケーブルの外周に設けられ、超電導ケーブルの導体に接続されるケーブル接続部と、ケーブル接続部の外周に配置され、冷媒槽と一体に設けられる内側リード部と、内側リード部の外周に配置され、真空槽内に配置される環状の導電板部と、導電板部の外周に配置され、真空槽の周壁の一部として配置される円環部とを有する。これらケーブル接続部、内側リード部、導電板部、円管部は電気的に接続されている。導電板部には、超電導ケーブルの延在方向に貫通し、延在方向で真空槽内部を連通させる貫通孔としてのスリットが形成され、円環部の外周には、外部に突出して常温部に接続される端子が設けられている。

超電導ケーブルの終端にリード部を接続する超電導ケーブルの端末構造体では、外部からの熱侵入量を低くするために、常温部から低温部に渡って配置される常電導接続部材において、伝導熱の経路を長くすることが考えられている。

特許文献１の常電導接続部材では、導電板部の表裏面を貫通する貫通孔が、同心円の複数のスロットにすることで、端子と内側リード部との間で伝導熱の経路となる部位の長さを極力長くし、当該伝導熱経路を伝達して超電導ケーブルの超電導導体層に伝達する熱の進入を低減するようにしている。

米国特許出願公開第２０１２／２８９４０５号明細書

特許文献１の端末構造体を用いて、常電導接続部材と超電導ケーブルとを接続して通電する際に、常電導接続部材は、直流通電の場合、直流電流は通電領域（導体）の全体に流れるが、交流通電時では、自己磁場の作用により、通電部分の表面にしか電流が流れなくなることが知られている。これは、所謂、表皮効果（Skin effect）として知られており、交流通電では、自己磁場の作用により、通電部分の中心に磁界が集中し、電流が流れにくくなり、スロット間の通電部分の表面の電流が大きくなる。

よって、特許文献１の常電導接続部材であっても、交流通電時に表皮効果により、通電に寄与しない非通電部分が増大してしまい、伝導熱は低減せずにジュール発熱が増大する、すなわち超電導導体層への熱侵入量を低減できないという恐れがある。

常電導接続部材は、接続対象が超電導ケーブルであるので、電流量を大きくしつつ、外部からの熱侵入量を伝達しない構成が望まれている。

本発明の目的は、超電導ケーブルと常電導部とを接続する際に、表皮効果による影響を受けにくく、好適な通電容量を確保して超電導ケーブルへの外部からの熱侵入量を低減することができる常電導接続部材及び超電導ケーブルの端末構造体を提供することである。

本発明に係る常電導接続部材は、
超電導ケーブルに接続され、当該超電導ケーブルを常温側の機器に電気的に接続する常電導接続部材であって、
前記超電導ケーブルの外周に配置され、当該超電導ケーブルに電気的に接続される内側リード部と、
前記機器に接続される端子部を有し、前記内側リード部の外周側に離間して配置される外側リード部と、
前記内側リード部と前記外側リード部とを接続するリッツ線と、
を有し、
前記リッツ線は、第一リッツ線と、前記第一リッツ線よりも径が大きい第二リッツ線とを有し、
前記第一リッツ線は、第二リッツ線よりも長さが短い構成を採る。

本発明に係る超電導ケーブルの端末構造体は、上記構成の常電導接続部材と、前記常電導接続部材に接続される超電導ケーブルと、を有する構成を採る。

本発明によれば、超電導ケーブルと常電導部とを接続する際に、表皮効果による影響を受けにくく、好適な通電容量を確保して超電導ケーブルへの外部からの熱侵入量を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る常電導接続部材を有する端末構造体の要部構成を模式的に示す図である。 端末構造体における超電導ケーブルの概略構成を示す断面図である。 端末構造体における常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す正面図である。 端末構造体における常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す側面である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施の形態２に係る常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す正面図である。 本発明の実施の形態２に係る常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す側面である。 図６のＢ−Ｂ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
＜端末構造体の構成＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る常電導接続部材を有する端末構造体１の要部構成を示す模式的に示す図である。図１では、常電導接続部材３０以外を便宜上、断面図で示す側面図で説明の便宜上、超電導ケーブル１０が導入される側を後端側（図１では右側）、反対側を先端側（図１では左側であり挿入方向側ともいう）として説明する。

図１に示す端末構造体１は、超電導ケーブル１０の端末部と、端末構造体１の外部機器である常温部とをリード部である常電導接続部材３０を介して接続する。なお、本実施の形態１の端末構造体１は、複数の超電導導体層１１２を有した超電導ケーブル１０を常温部にそれぞれ接続するため、複数の常電導接続部材３０を有しているが、１つの常電導接続部材３０を介して単層の超電導導体層を常温部に接続する構造でもあってもよい。超電導ケーブル１０の端末部は、ここでは、断熱管１２を段剥ぎしたケーブルコア部分とする。図１に示す端末構造体１は、超電導ケーブル１０の端末部と、常電導接続部材３０と、冷媒槽２１及び真空槽２２を有する低温容器２０と、支持脚部（支持部）２８を有する。

端末構造体１では、中央部に超電導ケーブル１０が挿通された常電導接続部材３０が所定間隔を空けて配置されている。常電導接続部材３０間に、超電導ケーブル１０を囲むように筒状の内側収容管部２１１が架設されることに冷媒槽２１が形成される。また、冷媒槽２１を囲むように、外側収容管部２２１が架設されることにより、真空槽２２が形成されている。

すなわち、低温容器２０は、常電導接続部材３０及び内側収容管部２１１を含む内側の冷媒槽２１と、常電導接続部材３０及び外側収容管部２２１を含む外側の真空槽２２とからなる二重構造となっている。

このように構成される低温容器２０（詳細には冷媒槽２１）に超電導ケーブル１０の端末部が所定の状態で水平方向に延在するように収容された状態となっている。

低温容器２０から、常電導接続部材３０（詳細には、図３に示す常電導接続部材３０の引出端子部３０１）を介して超電導ケーブル１０の導体電流が、常温部としての外部電力機器等の実系統側に引き出される。

なお、常電導接続部材３０と同様に、シールド接続端子４０を設けて、このシールド接続端子４０に超電導ケーブル１０のケーブルシールド層１１４（図２参照）を接地してもよい。

本実施の形態の超電導ケーブル１０は、超電導線材からなる複層の超電導導体層を有し、端末構造体１において、略水平方向に配置した超電導ケーブル１０から超電導導体層毎に、水平方向で所定間隔を空けて、常電導接続部材３０を介して導体電流を引き出される。

図２は、本発明の一実施の形態に係る端末構造体における超電導ケーブルの概略構成を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、超電導ケーブル１０は、断熱管１２内に、電気絶縁層（導体絶縁層）１１３（１１３−１、１１３−２、１１３−３）を介して超電導導体層１１２（１１２−１、１１２−２、１１２−３）を同心円状に複数備えるケーブルコア１１が収容された超電導ケーブルである。
超電導ケーブル１０は、各超電導導体層で位相の異なる電流を流す多相超電導ケーブルとしてもよい。また、超電導ケーブル１０は、超電導導体層が２層以上の超電導導体層、あるいは、単層の超電導導体層を有する構成としてもよい。本実施の形態の超電導ケーブル１０は、超電導導体層１１２を、中心から、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流を流す導体として３層で同軸上に有した三相同軸超電導ケーブルとしている。

ケーブルコア１１は、例えば中心から順に、Ｎ_２冷却管として機能する中央冷却管１１１、第１超電導導体層１１２−１、第１電気絶縁層（導体絶縁層）１１３−１、第２超電導導体層１１２−２、第２電気絶縁層（導体絶縁層）１１３−２、第３超電導導体層１１２−３、第３電気絶縁層（導体絶縁層）１１３−３、ケーブルシールド層１１４、及び保護層１１５等を有する。

各超電導導体層１１２及びケーブルシールド層１１４は、例えば、下層の外面に螺旋状に巻き付けた多数本の超電導テープ（テープ状の超電導線材）により構成される。超電導導体層を構成する各超電導テープは、互いに重ならずに配置されている。

超電導テープは、ここでは、ＲＥＢａ_ｙＣｕ_３Ｏ_ｚ系（ＲＥは、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ及びＨｏから選択された１種以上の元素を示し、ｙ≦２及びｚ＝６．２〜７である。）の高温超電導薄膜を備える酸化物超電導材である。この超電導テープは、テープ状の金属基板上に成膜された中間層上に、テープ状の超電導薄膜である酸化物超電導層（以下、「超電導層」と称する）、安定化層が順に積層されることによって作製される。なお、超電導テープの金属基板としては、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金又はステンレス鋼である。また、中間層は、例えば、金属基板上に、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層、ガリウムドープ酸化亜鉛層（Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７：ＧＺＯ）、或いはイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等による第１層、Ｙ_２Ｏ_３又は酸化ランタンマンガン（ＬａＭｎＯ_３）等の層である第２層、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等から成る第３層、ＬａＭｎＯ_３等の層である第４層、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）層である第５層を、順に積層することによって構成される。なお、超電導層は、有機金属酸塩あるいは有機金属化合物を原料とし、真空プロセスを使用せずに、ＭＯＤ法（Metal Organic Deposition Processes：有機酸塩堆積法）により中間層上に成膜される。ＭＯＤ法は、金属基板上に中間層を設けた複合基板上の金属有機酸塩を加熱して熱分解することによって複合基板上に超電導層である薄膜を形成する。安定化層は、超電導層上に銀（Ａｇ）等を成膜することにより形成される。

このように構成される超電導テープを、複合基板上において、下層の中央冷却管１１１、電気絶縁層１１３（１１３−１、１１３−２）の外周に、超電導層（超電導薄膜）が外周側、複合基板（基板）が内周側となるように、螺旋状に巻回することによって、各超電導導体層１１２は構成される。

電気絶縁層１１３は、それぞれ下層の超電導導体層１１２の外周に、例えば、半合成絶縁紙を巻回して構成される。保護層１１５は、例えば、ケーブルシールド層１１４の外周にクラフト紙等を巻回して構成される。

超電導ケーブル１０の端末部においては、図１に示すように、ケーブルコア１１に段剥ぎ加工が施され、先端側から順に各層が露出する。各超電導導体層１１２（１１２−１、１１２−２、１１２−３）には、各超電導導体層１１２（１１２−１、１１２−２、１１２−３）に電気的に接続される常電導接続部材３０（３０−１、３０−２、３０−３）が接続されている。

ここでは、常電導接続部材３０は、超電導導体層１１２の外周に配置され、且つ、外側収容管部２２１及び内側収容管部２１１のそれぞれに、冷媒槽２１及び真空槽２２を形成するように接続される。ケーブルシールド層１１４の外周には、ケーブルシールド層１１４に電気的に接続されるシールド接続端子が配置されてもよい。また、本実施の形態では、超電導導体層１１２（１１２−１、１１２−２、１１２−３）の外周に配置される電気絶縁層１１３（１１３−１、１１３−２、１１３−３）の外周には、ストレスコーン等の電界緩和部１５が配置されている。

断熱管１２は、内側の断熱内管１２１と外側の断熱外管１２２とからなり、断熱内管１２１及び断熱外管１２２は、コルゲート状を有することが好ましい。本実施の形態の断熱内管１２１及び断熱外管１２２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のコルゲート管（波付き管）によりそれぞれ構成される。超電導ケーブル１０は、フォーマの外周側に、超電導導体層１１２と、波付き管である断熱内管１２１と断熱外管１２２とによる二重構造を採る断熱管１２とを順に有する構成となっている。

断熱内管１２１は、低温容器２０の基端側において、シールド接続端子４０の内周部に、内部接続部５２を介して気密的に固定されている。内部接続部５２が固定されたシールド接続端子４０の内周部を介して、断熱内管１２１は、冷媒槽２１内部（主に内側収容管２１１内部）を気密的に連通する。

断熱外管１２２は、低温容器２０の基端側において、真空槽２２の基端面として機能するシールド接続端子４０の外周部に、外部接続部５４を介して気密的に固定されている。外部接続部５４が固定されたシールド接続端子４０の外周部を介して、断熱外管１２２と断熱内管１２１の間の空間は、断熱層を形成する真空槽２２内部（主に外側収容管部２２１内部）と気密的に連通する。

シールド接続端子４０は、内周部の中央部で超電導ケーブル１０を挿通し、超電導ケーブル１０のシールド層を接地するために外部に引き出す端子であり、ここでは、常電導接続部材３０と同様に形成される。よって、シールド接続端子４０については、常電導接続部材の説明とともに後述する。

断熱内管１２１は、ケーブルコア１１を収容し、冷媒槽２１に接続される。断熱内管１２１は、運転時には冷媒（例えば液体窒素）が充填される。これにより、超電導導体層１１２は、超電導状態に維持される。断熱内管１２１と断熱外管１２２の間は、断熱のために、運転時に真空状態に保持される。
内側収容管部２１１は、筒状であり、エポキシ樹脂や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）等の絶縁材料により構成される絶縁管である。すなわち、超電導ケーブル１０の端末部は、冷媒槽２１である絶縁管に収容された状態となる。

筒状の内側収容管部２１１の軸方向（ここでは、超電導ケーブル１０の延在方向にも相当する）で常電導接続部材３０を介して接続される内側収容管部２１１同士は、常電導接続部材３０に、超電導ケーブル１０の延在方向（「軸方向」ともいう）に貫通して形成された貫通孔３２２（図３参照）を介して連通した状態となっている。
なお、冷媒槽２１は、例えば真空槽２２内に配置された架台（図示略）に載置してもよい。冷媒槽２１には、運転時に冷媒循環装置（図示略）により冷媒が循環供給される。冷媒槽２１に連通する断熱内管１２１の内部も冷媒で充填される。

外側収容管部２２１は、外周にがい管部２３を有する筒状であり、冷媒槽２１を収容するように常電導接続部材３０間に設けられる。外側収容管部２２１は、例えばエポキシ樹脂やＦＲＰ等の絶縁材料で構成され、常電導接続部材３０に気密的に固定される。

外側収容管部２２１の内側は、常電導接続部材３０に、超電導ケーブル１０の延在方向に貫通して形成され、真空断熱層となる空隙３１０（図３参照）を介して連通した状態となっている。

がい管部２３は、例えば、ポリマーがい管または磁器がい管により構成される。ここでは、がい管部２３をポリマーがい管で構成したものとして説明する。がい管部２３は、例えば、絶縁筒の外周面に一体的にポリマー被覆体を一体的に設けて形成される。絶縁筒は、機械的強度の高いＦＲＰ（繊維強化プラスチック）で構成される。絶縁筒は、冷媒槽２１内の超電導ケーブル１０の外面に電界緩和部１５を取り付けた場合、この電界緩和層の周囲で電界緩和部を囲む位置に配置される。ポリマー被覆体は、電気絶縁性能に優れる材料、例えばシリコーンポリマー（シリコーンゴム）などの高分子材料で構成され、外周面に、複数個の傘状の襞部が長手方向に離間して形成される。がい管部２３の内部、つまり、真空槽２２の内部は、運転時には真空引きされて真空状態となる。

カバー、外部接続部５４、常電導接続部材３０及び外側収容管部２２１により構成される真空槽２２は、運転時に真空ポンプ（図示略）により真空引きされ、真空状態に保持される。真空槽２２に連通する断熱内管１２１と断熱外管１２２の間の空間が真空状態に保持される。

＜常電導接続部材３０の構成＞
図３は、端末構造体における常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す正面図であり、図４は、端末構造体における常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す側面である。また、図５は、図３のＡ−Ａ線断面図である。

図３〜図５に示す常電導接続部材３０は、端末構造体１において、内側収容管部２１１と外側収容管部２２１とに軸方向で接続される。
常電導接続部材３０は、内側収容管部２１１（冷媒槽２１）の内側の超電導ケーブル１０の外周面に位置する超電導導体層１１２の端末に電気的に接続される。

常電導接続部材３０は、内側リード部３１に接続される超電導ケーブル１０を、外側リード部３４の引出端子部３０１を介して常温側の機器に電気的に接続する。

常電導接続部材３０は、内側リード部３１と、外側リード部３４と、リッツ線３６と、支持部材３８と、被覆断熱部３９とを有する。
内側リード部３１は、超電導ケーブル１０の外周に配置され、超電導ケーブル１０に電気的に接続される。

内側リード部３１は、超電導ケーブル１０の外周に接触して固定される電極部３２と、電極部３２の外周に電気的に接続されつつ、電極部３２に対し相対的に周方向に回動自在に配置される内管リング３３とを有する。なお、本実施の形態では、電極部３２と内管リング３３は、外側リード部３４とともに、銅等の導電材料により形成され、超電導ケーブル１０と同一軸心上となるように配置されている。
電極部３２は、銅等の導電材料により形成される。電極部３２は、筒状に形成され、超電導ケーブル１０に外嵌して、その内周面で超電導ケーブル１０の外周面を構成する超電導導体層１１２の表面に電気的に接触して固定される。

本実施の形態では、図３〜図５に示すように、電極部３２は、外側リード部３４及び内管リング３３の軸方向の長さよりも長く、その外周面の中央部分に内管リング３３が外挿された状態で配置されている。

電極部３２は、超電導ケーブル１０とともに冷媒槽２１内に配置される。電極部３２には、超電導ケーブル１０の延在方向、つまり、電極部３２の軸方向に沿って延在する複数の貫通孔３２２が形成されている。複数の貫通孔３２２は、超電導ケーブル１０の外側で、超電導ケーブル１０を囲むように配置され、電極部３２の厚み方向、つまり、軸方向で冷媒を通して、軸方向での冷媒の流通を可能としている。

内管リング３３は、銅等からなる導電材料により内部に円形の開口を有する環状に形成される。ここでは内管リング３３は、円環板状に形成され、表裏面の少なくとも一方の面に内側収容管部２１１の開口端部が密着して固定される。表裏面の少なくとも一方の面には、内側収容管部２１１を固定する冷媒層用の固定穴３３２が形成されている。本実施の形態では、固定穴３３２は、内管リング３３の表裏面を貫通して設けられている。なお、内管リング３３は、常電導接続部材３０の他にシールド接続端子４０にも備えられ、この内管リング３３が、内側収容管部２１１、先端蓋部、及び内部接続部５２とともに、冷媒槽２１を構成している。

内管リング３３の内周面には、接触子であるマルチコンタクト３５が取り付けられ、このマルチコンタクト３５を介して、当該内管リング３３の開口内を挿通する電極部３２が電気的に接続されている。なお、マルチコンタクト３５は、内管リング３３を電極部３２の外周面において、電極部３２に電気的に接続させつつ、周方向及び軸方向に摺動自在に外嵌させる。これにより、内管リング３３と電極部３２は、マルチコンタクト３５により超電導ケーブル１０の軸心を中心に相対的に周方向に回動可能であり、且つ、相対的に軸方向に移動可能となっている。

外側リード部３４は、内側リード部３１の外周側に離間して配置され、外部の常温部の機器に接続される。
外側リード部３４は、環状に形成され、内側リード部３２を囲むように配置される環状の外管リング３４０と、引出端子部３０１とを有する。外管リング３４０の外周の一部から引出端子部３０１が軸方向と直交する方向に突出されている。外側リード部３４は、本実施の形態では板状をなし、円環板状の外管リング３４０から板状の引出端子部３０１が突出して設けられている。

外管リング３４０は、銅等の導電材料により形成された導電円環板である。外管リング３４０の表裏面の少なくとも一面には、周縁部に外側収容管部２２１（図１参照）が気密的に固定される固定穴３４２が設けられている。図１に示す常電導接続部材３０―１の表面（ここでは、先端側の面）には、真空槽２２の先端面となるカバーが気密的に固定され、裏面（ここでは、後端側の面には外側収容管部２２１の先端側開口部が気密的に密着して固定される。なお、外管リング３４０は、常電導接続部材３０の他にシールド接続端子４０にも備えられ、この外管リング３４０が、外側収容管部２２１、カバー、及び外部接続部５４とともに、真空槽２２を構成する。
なお、本実施の形態では、外管リング３４０及び引出端子部３０１つまり、外部リード部３４の厚み（軸方向の長さ）は、電極部３２の軸方向の長さよりも短く、内管リング３３の軸方向の長さよりも短い。外部リード部３４の厚さを薄くすることにより、交流通電時において引出端子部３０１の表皮効果による非通電領域の割合を減少させることができる。

支持部材３８は、内側リード部３１と外側リード部３４とを所定間隔開けた状態で保持する。支持部材３８は、絶縁材料により形成される。支持部材３８は、本実施の形態では、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック：Glass Fiber Reinforced Plastics）により成形されている。支持部材３８は、内側リード部３１の内管リング３３と、外側リード部３４の外管リング３４０との間に介設され、内管リング３３を外管リング３４０に支持させている。

本実施の形態では、支持部材３８は、内管リング３３の下面と、外管リング３４０との間に配設される円弧板状に成形されたＧＦＲＰ製の台座である。支持部材３８は、外管リング３４０の内周面上に固定され、上側の円弧面に内管リング３３が載置され、内管リング３３が摺動可能となっている。これにより、冷媒槽２１が真空槽２２に対して軸方向に移動可能となっている。

また、被覆断熱部３９は、外側リード３４の外周を覆い外周側から内周側への熱の侵入を防止する。被覆断熱部３９は、例えば中空で内部を真空にした真空断熱材により形成される。また、被覆断熱部３９は、グラスウール等により形成してもよい。これにより、外側リード部３４に外部からの熱侵入をより防止できる。

リッツ線３６は、内側リード部３１と外側リード部３４とを電気的に接続する。
リッツ線３６は、可撓性を有し、内側リード部３１と外側リード部３４との間に介設され、断熱層としての真空断熱層に配置される。
リッツ線３６は、素線を絶縁被覆膜で被覆したエナメル線を撚り合わせて束ねて形成される。本実施の形態のリッツ線３６は、直径０．５〜１．５ｍｍの素線を絶縁被覆で被覆したエナメル線を撚り合わせて束ね帯状に形成している。
リッツ線３６は、通電条件（材料、周波数、温度等であり特に温度）に応じて、長さ／断面積比が最適値となるように設定される。

ここで、熱侵入について説明する。
超電導ケーブル１０に接続される部位、本実施の形態では内側リード部３１と、常温部に接続される部位、本実施の形態では外側リード部３４とを接続する導体部分の構造では、超電導ケーブル１０側への常温部からの熱侵入（熱侵入量＝ジュール発熱＋伝導熱）を極力小さくすることが望まれる。通電時において、導体部分の断面積の増加に応じて導体抵抗が小さくなりジュール発熱は減少するものの、外部からの伝導熱が伝わり易くなる。
一方、導体部分の長さの延長に応じて導体抵抗が大きくなりジュール発熱は大きくなるものの、外部からの伝導熱は伝わりにくくなる。このように導体部分の断面積とその長さとはトレードオフの関係となり、この関係を踏まえて熱侵入量を設定する。
また、常電導接続部材３０では、交流通電の際に表皮効果により導体断面の中心において電流密度が低くなり導体抵抗が増大することが知られている。このとき、導体抵抗が増大しても熱伝導率は変化しないため、結果として常電導接続部材３０において、導体部分を介した熱侵入量が増大する問題点があった。この表皮効果による影響を低減するために、導体断面寸法を表皮厚さ以下にする方法が考えられる。表皮深さとは表皮効果が現れる部位を示す導体表面からの所定の深さである。この方法では、導体の材料の温度が下がると表皮深さは小さくなる。例えば、常電導接続部材３０に用いられる導電材料としての銅においては、周波数６０Ｈｚ（商用周波数）、温度３００Ｋ（室温）での表皮深さは８．５ｍｍであるが、温度７０Ｋ（超電導ケーブルの冷却温度）での表皮深さは２．８ｍｍと小さくなる。よって、例えば、電流リードの断面寸法は、室温側では直径１７ｍｍ以下、低温側では直径５．６ｍｍ以下となる導体を、通電電流に必要な断面積となるように集合化させる必要がある。しかし、導体の断面積はその温度勾配に合わせて変化させる必要があり、上述したように、導体の断面積を変えると温度勾配も変化するため、最適な形状を求めるのは困難である。

本実施の形態では、導体として絶縁被覆した素線を集合化したリッツ線３６を用いて、リッツ線３６の導体断面積寸法を常電導接続部材３０において一番温度の低い箇所の表皮深さ以下とすることにより、表皮効果による影響を受けず、かつ、温度勾配を考慮する必要ない構成としている。

リッツ線３６は、両端部が接続される部位としてのリッツ線内側取付部３３６と、リッツ線３６が接続する外側リード部３４の部位としてのリッツ線外側取付部３４６とから軸方向と平行に延出して、中央部分が撓むように配置されている。
リッツ線内側取付部３３６とリッツ線外側取付部３４６とは、接続されるリッツ線３６を所定方向、ここでは軸方向に沿って延在するように好適に保持する。
リッツ線３６は、本実施の形態では、一端部が、外管リング３４０の内周面に設けられたリッツ線外側取付部３４６に電気的に接続され、他端部に向かって軸方向に延出するように取り付けられる。また、リッツ線３６の中央部分は湾曲され、リッツ線３６の他端部側が、一端部側に対向させた状態で、内管リング３２の外周面に取り付けられたリッツ線内側取付部３３６に電気的に接続されている。

リッツ線３６が接続する内側リード部３１の部位としてのリッツ線内側取付部３３６と、リッツ線３６が接続する外側リード部３４の部位としてのリッツ線外側取付部３４６との間におけるリッツ線３６の長さＤ２は、リッツ線内側取付部３３６とリッツ線外側取付部３４６との間の最短の長さＤ１の等倍以上である。好ましくは、長さＤ２は、最短の長さＤ１の１．５倍以上であり、最短の長さの５倍以下であることが好ましい。ここでは長さＤ２は、長さＤ１の３倍の長さとしている。これにより、内側リード部３１と外側リード部３４とが軸方向に相対移動する場合でも、常にリッツ線３６に負荷が掛かることなく、リッツ線３６は、内側リード部３１と外側リード部３４との導通状態を確保できる。
すなわち、リッツ線３６とすることにより、導体部分の断面を複数の断面により形成することにより、交流通電時において引出端子部３０１の表皮効果による非通電領域の割合を減少させる、すなわち、同じ断面積でも通電領域を増加させることが可能となり、常電導接続部材一つ当たりのジュール発熱を低減し、熱侵入量を低減できる。ここで、熱侵入量は、常電導接続部材３０の室温あるいは高温部から低温部に伝わる伝導熱と、通電時のジュール発熱の和で表される。
なお、均流化のためにリッツ線３６を複数本に分ける場合は、それぞれの「長さ/断面積比」を最適値とし、断面積を増やす場合には、素線径を変えずに撚り線数を変えることによって表皮効果の影響を受けることは無い。この一例を実施の形態２として説明する。

（実施の形態２）
＜常電導接続部材３０Ａの構成＞
図６は、本発明の実施の形態２に係る常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す正面図であり、図７は、本発明の実施の形態２に係る常電導接続部材において超電導ケーブルの接続部分を示す側面である。また、図８は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。

図６〜図８に示す常電導接続部材３０Ａは、実施の形態１の端末構造体１において、常電導接続部材３０に換えて、内側収容管部２１１と外側収容管部２２１とに軸方向で接続される。
常電導接続部材３０Ａは、内側収容管部２１１（冷媒槽２１）の内側の超電導ケーブル１０の外周面に位置する超電導導体層１１２の端末に電気的に接続される。

常電導接続部材３０Ａは、内側リード部３１Ａに接続される超電導ケーブル１０を、外側リード部３４Ａの引出端子部３０１を介して常温側の機器に電気的に接続する。
常電導接続部材３０Ａは、常電導接続部材３０と同様の機能を有し、リッツ線３６Ａを介した外側リード部３４Ａと、内側リード部３１Ａとの接続構造のみが異なる。以下では、異なる構成要素を詳細に説明し、同様の構成要素については同符号を付して説明は省略する。

常電導接続部材３０Ａは、内側リード部３１Ａと、外側リード部３４Ａと、リッツ線３６Ａと、支持部材３８Ａと、被覆断熱部３９とを有する。
内側リード部３１Ａは、超電導ケーブル１０の外周に配置され、超電導ケーブル１０に電気的に接続される。

内側リード部３１Ａは、超電導ケーブル１０の外周に接触して固定される電極部３２と、電極部３２の外周に電気的に接続されつつ、電極部３２に対し相対的に周方向に回動自在に配置される内管リング３３Ａとを有する。なお、本実施の形態では、電極部３２と内管リング３３Ａは、外側リード部３４Ａとともに、銅等の導電材料により形成され、超電導ケーブル１０と同一軸心上となるように配置されている。
電極部３２は、銅等の導電材料により筒状に形成され、超電導ケーブル１０に外嵌して、内周面で超電導ケーブル１０の外周面を構成する超電導導体層１１２の表面に電気的に接触して固定される。
本実施の形態では、図６〜図８に示すように、電極部３２は、実施の形態１と同様に、外側リード部３４Ａ及び内管リング３３Ａの軸方向の長さよりも長く、その外周面の中央部分に内管リング３３Ａが外挿された状態で配置されている。

内管リング３３Ａは、銅等からなる導電材料により内部に円形の開口を有する環状に形成される。ここでは内管リング３３Ａは、円環板状に形成され、表裏面の少なくとも一方の面に内側収容管部２１１の開口端部が密着して固定される。表裏面の少なくとも一方の面には、内側収容管部２１１を固定する冷媒層用の固定穴３３２が形成されている。本実施の形態では、固定穴３３２は、内管リング３３Ａの表裏面を貫通して設けられている。なお、内管リング３３Ａは、常電導接続部材３０Ａの他にシールド接続端子４０にも備えられ、この内管リング３３Ａが、内側収容管部２１１、先端蓋部、及び内部接続部５２とともに、冷媒槽２１を構成している。

内管リング３３Ａの内周面には、内管リング３３と同様に、接触子であるマルチコンタクト３５が取り付けられ、このマルチコンタクト３５を介して、当該内管リング３３Ａの開口内を挿通する電極部３２が電気的に接続されている。内管リング３３Ａと電極部３２は、マルチコンタクト３５により超電導ケーブル１０の軸心を中心に相対的に周方向に回動可能であり、且つ、相対的に軸方向に移動可能である。

外側リード部３４Ａは、内側リード部３１Ａの外周側に離間して配置され、外部の常温部の機器に接続される。
外側リード部３４Ａは、環状に形成され、内側リード部３１Ａを囲むように配置される環状の外管リング３４０Ａを有する。外管リング３４０Ａの外周の一部から引出端子部３０１が軸方向と直交する方向に突出されている。外側リード部３４Ａは、本実施の形態では板状をなし、円環板状の外管リング３４０Ａから板状の引出端子部３０１が突出して設けられている。

外管リング３４０Ａは、銅等の導電材料により形成された導電円環板である。外管リング３４０Ａの表裏面の少なくとも一面には、周縁部に外側収容管部２２１（図１参照）が気密的に固定される固定穴３４２が設けられている。常電導接続部材３０Ａが、図１に示す常電導接続部材３０―１に用いられる場合、その表面（ここでは、先端側の面）に、真空槽２２の先端面となるカバーが気密的に固定され、裏面（ここでは、後端側の面には外側収容管部２２１の先端側開口部が気密的に固定される。なお、外管リング３４０Ａは、常電導接続部材３０Ａの他にシールド接続端子４０にも備えられる。この外管リング３４０Ａが、外側収容管部２２１、カバー、及び外部接続部５４とともに、真空槽２２を構成する。
なお、外管リング３４０Ａ及び引出端子部３０１つまり、外部リード部３４Ａの厚み（軸方向の長さ）は、実施の形態１のものと同様に、電極部３２の軸方向の長さよりも短く、内管リング３３Ａの軸方向の長さよりも短い。外部リード部３４Ａの厚さを薄くすることにより、交流通電時において引出端子部３０１の表皮効果による非通電領域の割合を減少させることができる。

支持部材３８Ａは、支持部材３８と同様の機能を有し、内側リード部３１Ａと外側リード部３４Ａとを所定間隔開けた状態で保持する。支持部材３８Ａは、絶縁材料により形成され、本実施の形態では、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック：Glass Fiber Reinforced Plastics）により成形されている。支持部材３８Ａは、内側リード部３１Ａの内管リング３３Ａと、外側リード部３４Ａの外管リング３４０Ａとの間に介設され、内管リング３３Ａを外管リング３４０Ａに支持させている。

リッツ線３６Ａは、内側リード部３１Ａと外側リード部３４Ａとを電気的に接続する。
リッツ線３６Ａは、可撓性を有し、内側リード部３１Ａと外側リード部３４Ａとの間に介設され、断熱層としての真空断熱層に配置される。

リッツ線３６Ａは、リッツ線３６と比較して、複数のリッツ線３６４、３６６、３６８を含む。本実施の形態では、リッツ線３６Ａは、第一リッツ線３６４と、第一リッツ線３６４よりも径が大きい第二リッツ線３６６と、第二リッツ線３６６よりも径が大きい第三リッツ線３６８を有する。リッツ線３６Ａは複数のリッツ線３６４、３６６、３６８により、引出端子部３０１と内側リード部３１Ａとを、内側リード部３１Ａ（内管リング３３Ａ）の外周に均等な間隔を空けて接続した状態にしている。

これら第一リッツ線３６４は、第二リッツ線３６６よりも長さが短く、第二リッツ線３６６は、第三リッツ線３６８よりも長さが短い。
第一リッツ線３６４、第二リッツ線３６６及び第三リッツ線３６８は、それぞれ、リッツ線３６Ａと同様に、素線を絶縁被覆膜で被覆したエナメル線を撚り合わせて束ねて形成される。第一リッツ線３６４、第二リッツ線３６６及び第三リッツ線３６８は、直径０．５〜１．５ｍｍの素線を絶縁被覆で被覆したエナメル線を撚り合わせて束ね、それぞれ外径が異なる線状に形成されている。

第一リッツ線３６４における長さ／素線の総断面積比と第二リッツ線３６６の長さ／素線の総断面積比は１：０．８〜１．２の関係にある。また、第二リッツ線３６６における長さ／素線の総断面積比と第三リッツ線３６８の長さ／素線の総断面積比は１：０．８〜１．２の関係にある。また、第一リッツ線３６４における長さ／素線の総断面積比と第三リッツ線３６８の長さ／素線の総断面積比は１：０．８〜１．２の関係にある。なお、第二リッツ線３６６における長さ／素線の総断面積比と第三リッツ線３６８の長さ／素線の総断面積比は１：０．８〜１．２の関係にあってもよい。また、第一リッツ線３６４における長さ／素線の総断面積比、第二リッツ線３６６の長さ／素線の総断面積比、および、第三リッツ線３６８の長さ／素線の総断面積比は、互いに同じであることが好ましい。
第一リッツ線３６４における長さ／素線の総断面積比、第二リッツ線３６６の長さ／素線の総断面積比、および、第三リッツ線３６８の長さ／素線の総断面積比は、より効果的な同じ通電量を確保するため、熱侵入量が最も小さく、且つ、同じかまたは近似している値が好ましい。
また、各リッツ線３６４、３６６、３６８により、引出端子部３０１は、内側リング３２Ａの外周に等間隔を空けて全周に渡るように接続された状態となっている。これにより、第一リッツ線３６４、第二リッツ線３６６及び第三リッツ線３６８のそれぞれを流れる電流の均流化が図られている。

第一リッツ線３６４、第二リッツ線３６６及び第三リッツ線３６８のそれぞれの長さ／素線の総断面積比は、実施の形態１のリッツ線３６と同様に、熱侵入量（＝ジュール発熱＋伝導熱）が極力小さくなるように、通電条件（材料、周波数、温度等であり特に温度）に応じて最適値となるように設定される。
例えば、３４０Ａの温度が３００Ｋ、３３Ａの温度が７０Ｋであるとき、第一リッツ線３６４、第二リッツ線３６６及び第三リッツ線３６８の長さと総断面積は、それぞれ１００ｍｍ、１８０ｍｍ、２５０ｍｍと公称断面積８３ｍｍ^２、１５０ｍｍ^２、２０８ｍｍ^２である。
なお、本実施の形態では、リッツ線３６Ａを用いて、リッツ線３６Ａ（具体的には、第一リッツ線３６４、第二リッツ線３６６及び第三リッツ線３６８）のそれぞれの導体断面積寸法を常電導接続部材３０Ａの一番温度の低い箇所の表皮深さ以下とすることにより、表皮効果による影響を受けず、かつ、温度勾配を考慮する必要ない構成としている。

リッツ線３６Ａは、第一リッツ線３６４、第二リッツ線３６６及び第三リッツ線３６８をそれぞれ、２本ずつ有する。
第一リッツ線３６４、第二リッツ線３６６及び第三リッツ線３６８は、それぞれ外管リング３４０Ａの内周面と内管リング３３Ａの外周面との間に、引出端子部３０１の中心線を中心に左右対象に撓ませた状態で架設されている。なお、第一リッツ線３６４、第二リッツ線３６６及び第三リッツ線３６８のそれぞれの長さは、内管リング３３Ａの外周面と外管リング３４０Ａの内周面との最短の長さＤ１の等倍以上の長さである。好ましくは、それぞれのリッツ線の長さは、最短の長さＤ１の１．５倍以上であり、最短の長さＤ１の５倍以下であることが好ましい。これにより、内側リード部３１Ａと外側リード部３４Ａとが軸方向に相対移動する場合でも、常にリッツ線３６Ａに負荷が掛かることなく、リッツ線３６Ａは、内側リード部３１Ａと外側リード部３４Ａとの導通状態を確保できる。

具体的には、第一リッツ線３６４は、外管リング３４０Ａにおいて引出端子部３０１の下面と鉛直下方で対向する内管リング３３Ａの上面との間に配置される。第二リッツ線３６６は、第一リッツ線３６４よりも中心鉛直線Ｌ１から離間する部位と内管リング３３Ａの両側部との間に架設されている。また、第三リッツ線３６８は、第二リッツ線３６６よりも更に中心鉛直線Ｌ１から離れた部位と、内管リング３３Ａの外周面の下面部分との間に架設されている。これにより、リッツ線３６Ａは、引出端子部３０１に対して、内管リング３３Ａを、その全周に渡って均一に電流が流れるように電気的に接続している。これにより、引出端子部３０１を介して超電導ケーブル１０に常温部から通電される際に、超電導ケーブル１０に均一に通電させることができ、熱侵入量も極力低減することができ、好適な通電状態を確保できる。

また、交流通電時の場合、１枚のフランジを介して通電させる従来構成と比較して、各実施の形態の常電導接続部材３０、３０Ａを用いれば、表皮効果により、通電領域が減少することがない。

したがって、超電導ケーブル１０と常電導部とを接続する際に、好適な通電容量を確保しつつ、超電導ケーブルへの外部からの熱侵入量を低減することができる。

［参考例１］
図３〜図５に示す常電導接続部材３０を、無酸素銅に銀メッキした材料を用いて製造した。内側リード部３１と外側リード部３４とを接続する導体であるリッツ線は、長さ/断面積比（例えば、１，２００[ｍ−１）を最適化した一本のリッツ線とした。この参考例１の常電導接続部材３０に実効値ＡＣ３０００であり、周波数６０Ｈｚで通電した際の常電導接続部材３０における熱侵入量を測定した。これを表１に示す。測定した際の常電導接続部材３０における室温側温度、つまり外側リード部３４の引出端子部３０１における温度は、７００Ｋであり、内側リード部３１における温度は７０Ｋであった。

［実施例２］
図６〜図８に示す常電導接続部材３０Ａを、無酸素銅に銀メッキした材料を用いて製造した。内側リード部３１Ａと外側リード部３４Ａとを接続する導体であるリッツ線３６Ａを径の異なる３種類（外径１２．３ｍｍ、１６．５ｍｍ、１９．４ｍｍ）×２本のリッツ線３６４、３６６、３６８とし、各リッツ線の「長さ/断面積比」を最適化（例えば、１，２００[ｍ−１）して用いた。この実施例２の常電導接続部材３０Ａに、参考例１と同様の条件で通電して常電導接続部材における熱侵入量を測定した。これを表１に示す。

［比較例１］
参考例１及び実施例２と同様の材料で、外側リード部と内側リード部とを接続する導体を、外側リード部と同様の無酸素銅に銀メッキした材料で「長さ/断面積比」を最適化した板状導体で形成した従来型の常電導部材を製造した。この比較例１の常電導接続部材に参考例１と同様の条件で通電して、常電導接続部材における熱侵入量を測定した。これを表１に示す。

これら参考例１、実施例２及び比較例１のそれぞれについて、通電電流ＡＣ３０００Ａ（実効値）、周波数６０Ｈｚで通電して、熱侵入量を測定したところ、参考例１は１５６Ｗであり、実施例２は１４７Ｗであり、比較例１は１８６Ｗであった。なお、熱侵入量は、カロリメトリック法にて測定した。
測定の結果、参考例１では、比較例１に対して８４％、実施例２は、比較例１に対して７９％の熱侵入量となり、比較例１と比較して減少することが判った。
つまり、外側リード部３４と内側リード部３１とを接続する導電部分である導体にリッツ線を用いることにより、表皮効果による抵抗値の上昇、つまりジュール発熱の増大を防止できることがわかった。また、実施例２から、リッツ線を複数用いて、図６に示すように、超電導ケーブル１０の周りに均等配置となるように接続することにより、周方向の電流密度が均一となり、ジュール発熱が一層低減されていることがわかった。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 端末構造体
１０ 超電導ケーブル
１１ ケーブルコア
１２ 断熱管
２０ 低温容器
２１ 冷媒槽
２２ 真空槽
２３ がい管部
３０、３０Ａ 常電導接続部材
３１、３１Ａ 内側リード部
３２ 電極部
３３、３３Ａ 内管リング
３４、３４Ａ 外側リード部
３５ マルチコンタクト
３６、３６Ａ リッツ線
１１１ 中央冷却管
１１２ 超電導導体層
１１３ 電気絶縁層
１１４ ケーブルシールド層
１１５ 保護層
１２１ 断熱内管
１２２ 断熱外管
２１１ 内側収容管部
２２１ 外側収容管部
３０１ 引出端子部
３２２ 貫通孔
３４０、３４０Ａ 外管リング
３３２、３４２ 固定穴
３６４ 第一リッツ線
３６６ 第二リッツ線
３６８ 第三リッツ線

Claims (3)

1. 超電導ケーブルに接続され、当該超電導ケーブルを常温側の機器に電気的に接続する常電導接続部材であって、
   前記超電導ケーブルの外周に配置され、当該超電導ケーブルに電気的に接続される内側リード部と、
   前記機器に接続される端子部を有し、前記内側リード部の外周側に離間して配置される外側リード部と、
   前記内側リード部と前記外側リード部とを接続するリッツ線と、
   を有し、
   前記リッツ線は、第一リッツ線と、前記第一リッツ線よりも径が大きい第二リッツ線とを有し、
   前記第一リッツ線は、第二リッツ線よりも長さが短い、常電導接続部材。
2. 前記第一リッツ線における長さ／素線の総断面積と前記第二リッツ線の長さ／素線の総断面積は１：０．８〜１．２の関係にある、請求項１記載の常電導接続部材。
3. 請求項１または２に記載の常電導接続部材と、
   前記常電導接続部材に接続される超電導ケーブルと、
   を有する、超電導ケーブルの端末構造体。
   

Images