特許 7564930 超電導ケーブルおよび電気推進システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-01

(45)【発行日】2024-10-09

(54)【発明の名称】超電導ケーブルおよび電気推進システム

(51)【国際特許分類】

   H01B 12/06 20060101AFI20241002BHJP

   H01B 13/00 20060101ALI20241002BHJP

   H10N 60/81 20230101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

H01B12/06

H01B13/00 561C

H10N60/81 ZAA

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023190288

(22)【出願日】2023-11-07

(62)【分割の表示】P 2023013358の分割

【原出願日】2023-01-31

(65)【公開番号】P2024109029

(43)【公開日】2024-08-13

【審査請求日】2024-04-12

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （１）ＡＳＣ ２０２２にて公開（開催期間 令和４年１０月２３日～２８日） 開催日 令和４年１０月２８日 （２）昭和電線ホールディングス株式会社ＨＰにて公開 公開日 令和５年１月３１日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２２年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「航空機用先進システム実用化プロジェクト／次世代電動推進システム研究開発／高効率かつ高出力電動推進システム」の委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000002255

【氏名又は名称】ＳＷＣＣ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】塩原 敬

(72)【発明者】

【氏名】足立 和久

(72)【発明者】

【氏名】三堂 信博

(72)【発明者】

【氏名】青木 裕治

【審査官】北嶋 賢二

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００９／０２４７４１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０７３６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００６６８７８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｂ １２／０６

Ｈ０１Ｂ １３／００

Ｈ１０Ｎ ６０／８１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外周に表面が滑らかなポリイミド製のテープである絶縁シートが巻回された長尺平面状のテープ状超電導線材が複数枚積層された積層体をそれぞれ有する複数の超電導積層導体を備え、前記積層体の積層方向で隣り合うテープ状超電導線材同士が互いに摺動可能に構成され、
各超電導積層導体の外周に、前記積層体の外周を露出させる隙間を空けつつスパイラル状に巻回された絶縁性の外周被覆シートをさらに備え、各積層体において積層方向の両端それぞれに位置するテープ状超電導線材と前記外周被覆シートとが摺動可能に構成された、
超電導ケーブル。

【請求項2】

前記外周被覆シートは、クラフト紙である、
請求項１に記載の超電導ケーブル。

【請求項3】

複数の前記超電導積層導体が、冷媒を流通させる断熱管内で、互いに絶縁されて配置された、
請求項１または２に記載の超電導ケーブル。

【請求項4】

輸送機器に搭載される電気推進システムであって、
請求項１に記載の超電導ケーブルと、電力源と、電動機とを含み、
前記超電導ケーブルにより前記電力源と前記電動機とが接続され、
前記超電導ケーブルを介して電力供給することにより前記電動機を駆動させて前記輸送機器を推進させる、
電気推進システム。

【請求項5】

前記輸送機器は、飛行体である、
請求項４に記載の電気推進システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超電導ケーブルおよび電気推進システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、極低温において超電導状態となる超電導線材を導体として用い、大電流を低損失で送電可能な超電導ケーブルが知られている。例えば、ＣＯ_２排出量削減のため電動化が検討されている航空機等の飛行体向けの推進システムにおいては、軽量で、かつ高効率・高出力が可能な超電導技術の必要性が高まっている。このような推進システムの実現に向け、ジェットエンジンから置き換わる電動機への電力供給に適した、大電流を通電可能な超電導ケーブルの開発が進められている。

【0003】

例えば特許文献１には、三相同軸型の超電導ケーブルが記載されている。特許文献１に記載の超電導ケーブルは、金属製である断熱内管および断熱外管により構成される二重管構造の断熱管を有し、断熱内管の内側に、複数の超電導層を同軸状に積層したケーブルコアを収容するとともに冷媒を流通させ、かつ断熱内管と断熱外管との間を真空状態にすることで断熱する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２０－１１９７６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来の超電導ケーブルにおいては、ケーブルコアが同軸構造を採るため、全体として構成が複雑であるほか、重量が嵩むおそれがある。例えば上述したような電動式の飛行体の実現に向けては、電動機等を含む電気推進システム全体の軽量化・小型化が重要な課題である。当該システムに適用する超電導ケーブルにも、軽量であることや構成が簡素であることが求められる。

【0006】

本発明の目的は、大電流の通電性能を確保しつつ全体構成の簡素化および軽量化を図ることができる超電導ケーブルおよび超電導ケーブルを備えた電気推進システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る超電導ケーブルの一態様は、
外周に表面が滑らかなポリイミド製のテープである絶縁シートが巻回された長尺平面状のテープ状超電導線材が複数枚積層された積層体をそれぞれ有する複数の超電導積層導体を備え、前記積層体の積層方向で隣り合うテープ状超電導線材同士が互いに摺動可能に構成され、
各超電導積層導体の外周に、前記積層体の外周を露出させる隙間を空けつつスパイラル状に巻回された絶縁性の外周被覆シートをさらに備え、各積層体において積層方向の両端それぞれに位置するテープ状超電導線材と前記外周被覆シートとが摺動可能に構成された。

【0008】

本発明に係る電気推進システムの一態様は、
輸送機器に搭載される電気推進システムであって、
上記の超電導ケーブルと、電力源と、電動機とを含み、
前記超電導ケーブルにより前記電力源と前記電動機とが接続され、
前記超電導ケーブルを介して電力供給することにより前記電動機を駆動させて前記輸送機器を推進させる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、大電流の通電性能を確保しつつ全体構成の簡素化および軽量化を図ることができる超電導ケーブルおよび超電導ケーブルを備えた電気推進システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の実施の形態１に係る超電導ケーブルを適用した電気推進システムの構成を模式的に示す図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態１に係る超電導ケーブルの断面構成を模式的に示す図である。

【図3】図３は、超電導線材単体の積層構造を模式的に示す図である。

【図4】図４は、図２に示す超電導積層導体の積層構造および電極との接続構造を模式的に示す図である。

【図5】図５は、図２に示す超電導積層導体を側方から見た外観図である。

【図6】図６は、本発明の実施の形態２に係る超電導ケーブルの断面構成を模式的に示す図である。

【図7】図７は、図６に示すスペーサを側方から見た外観図である。

【図8】図８は、本発明の実施の形態２の変形例１に係る超電導ケーブルの断面構成を模式的に示す図である。

【図9】図９は、本発明の実施の形態２の変形例２に係る超電導ケーブルの断面構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態に係る超電導ケーブルついて、図面を参照しながら説明する。

【0012】

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る超電導ケーブルを適用した電気推進システムの構成を模式的に示す図である。

【0013】

電気推進システム１は、輸送機器に搭載されて、輸送機器を推進させる。輸送機器は、例えば飛行体である。電気推進システム１は、タービン１１、燃料タンク１２、出力軸１３、超電導発電機１４、インバーター１５、超電導モータ１６、出力軸１７、プロペラ１８、冷却システム１９、および送電ケーブル２０、２１を有する。ここで、飛行体には、航空機のほか、ヘリコプター、飛行ドローンなど、回転翼により揚力および推進力のうち少なくとも一つを発生させて空中を飛行するものが含まれる。飛行体は、有人および無人を問わない。また、プロペラ１８には、いわゆるダクティッドファンを含む。

【0014】

電気推進システム１は、燃料タンク１２の燃料を燃焼させて得られるガスでタービン１１を回転させ、その回転の動力を出力軸１３により取り出し超電導発電機１４（電力機器および電力源の一例）に入力して超電導発電機１４に発電させる。電気推進システム１は、超電導発電機１４の発電電力を送電ケーブル２０によりインバーター１５（電力機器および電力源の一例）へ送電し、インバーター１５にて直流電力から交流電力に変換する。電気推進システム１は、交流電力を送電ケーブル２１により超電導モータ１６（電力機器および電動機の一例）に供給して超電導モータ１６を回転させ、これに伴い、出力軸１７を介して超電導モータ１６に接続されたプロペラ１８を回転させて、推進力を発生させる。

【0015】

本実施の形態に係る超電導ケーブル１００（詳しくは後述する）は、電気推進システム１において電力機器間の送電ケーブル２０、２１として使用される。なお、本実施の形態において、送電ケーブル２０は直流通電用のケーブルであり、送電ケーブル２１は交流通電用のケーブルであるが、いずれも、電力源（超電導発電機１４およびインバーター１５）から電動機（超電導モータ１６）への電力供給ケーブルとして機能する。超電導ケーブル１００は、送電ケーブル２０、２１のいずれにも適用可能である。

【0016】

電気推進システム１は、超電導発電機１４および超電導モータ１６といった各種電力機器ならびに送電ケーブル２０、２１（超電導ケーブル１００）において、導体に超電導体を使用する、全超電導式のシステムである。これにより、きわめて高効率に高出力を得ることが可能な電気推進システムを実現することができる。

【0017】

電気推進システム１は、使用時において超電導体の超電導状態を維持するため、冷却システム１９により液体窒素（冷媒の一例）を電気推進システム１内部に循環させて、超電導体を極低温状態に冷却する。

【0018】

電気推進システム１は、例えば飛行体（輸送機器の一例）を推進させる飛行体用電気推進システムとして利用される。この場合、飛行体の動力源が、従来のジェットエンジンから超電導モータ１６に置き換わる。これにより、燃料として仮に従来同様のジェット燃料を使用するとしても、燃料消費量を大幅に低減できるためＣＯ_２排出量を大幅に削減することができる。また、鉄心および銅線で構成される従来型の電動機では、飛行体の飛行に必要な推進力を得るのに必要な重量がジェットエンジンの１０倍以上となるところ、超電導モータ１６を使用する電気推進システム１では、理論上、ジェットエンジンと同等の重量でジェットエンジンよりも高い出力、例えば２倍以上の飛行体が推進するのに必要な出力を得ることができる。すなわち、飛行体用電気推進システムの実現が可能である。

【0019】

ところで、電気推進システム１で飛行体をより効率的に推進させるには、電気推進システム１全体の軽量化・小型化が必要である。そのためには、電力機器だけでなく送電ケーブル２０、２１についても、重量の軽量化および構成の簡素化が必要となる。本実施の形態では、以下説明する通り、大電流の通電性能を確保しつつ全体構成の簡素化および軽量化を図ることができる超電導ケーブル１００が提供される。よって、この超電導ケーブル１００を電気推進システム１に使用することで、飛行体をより効率的に推進させるのに必要な電気推進システム１の全体の軽量化・小型化を実現することができる。

【0020】

図２は、超電導ケーブル１００の断面構成を模式的に示す図である。

【0021】

超電導ケーブル１００は、複数本のケーブルコア１２０、および断熱管１５０を有する。本実施の形態では、ケーブルコア１２０の本数は３本であり、そのため、超電導ケーブル１００は三相ケーブル等としての使用に適している。ケーブルコア１２０の本数は２本以上であればよく、超電導ケーブル１００の細径化・簡素化を実現できる限り何本でもよい。

【0022】

ケーブルコア１２０はそれぞれ、超電導積層導体１２２および相間絶縁シート１２４を有する。

【0023】

超電導積層導体１２２は、それぞれが複数のテープ状超電導線材１２２２を積層した積層体である。ここで、テープ状とは、形状が長尺平面状であり、その厚さに対して平面寸法が十分に大きい形状であることを意味する。超電導積層導体１２２をテープ状超電導線材１２２２で構成することにより、同電流を流通させる場合の超電導積層導体１２２の軸方向の断面積を、大幅に小さくすることができる。このため、複数の超電導積層導体１２２を収容する断熱管１５０を大幅に細径化することができるとともに、軽量化することができる。

【0024】

超電導積層導体１２２を構成する個々のテープ状超電導線材１２２２は、図３に示す通り、基板１２２２ｂの上面側に、順に、中間層１２２２ｃ、超電導層１２２２ｄおよび保護層１２２２ｅを積層し、保護層１２２２ｅの上面および基板１２２２ｂの下面のそれぞれに安定化層１２２２ａ、１２２２ｆを積層した、積層構造を有する。基板１２２２ｂは、例えば金属基板である。中間層１２２２ｃは、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３層、ＬａＭｎＯ_３層、ＭｇＯ層、ＬａＭｎＯ_３層およびＣｅＯ_２層を順次積層した構造を有する。超電導層１２２２ｄは、超電導体からなる層であり、本実施の形態では、液体窒素の沸点（７７Ｋ）を超える比較的高温の臨界温度をもつイットリウム系超電導体等の酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－δ。ＲＥはＹ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｕ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｐｒ、およびＨｏからなる群から選択される少なくとも１種の元素を表す。）からなる層である。保護層１２２２ｅは、例えばＡｇ層である。安定化層１２２２ａ、１２２２ｆは、例えばＣｕ層である。個々のテープ状超電導線材１２２２の厚さは最大２５０μｍ程度である。なお、上述したテープ状超電導線材単体の積層構造や製造方法、厚さ等の寸法等については公知の技術を適用可能であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

【0025】

上述した通り、超電導積層導体１２２は、複数のテープ状超電導線材１２２２を積層して構成されている。テープ状超電導線材１２２２の積層枚数は特に限定されないが、電気推進システム１による飛行体の推進において求められる運転電流値に基づいて決定することができる。

【0026】

図４は、超電導積層導体１２２の積層構造および電極１０２との接続構造を模式的に示す図である。超電導積層導体１２２は、端部が電極１０２の溝内に収納されて接続されている。超電導積層導体１２２は、一例として全部で３０枚のテープ状超電導線材１２２２が積層されて構成されている。電極１０２は、例えば、超電導発電機１４、インバーター１５、超電導モータ１６などと接続する。ここで、電力は、電極１０２に対して、例えば超電導積層導体１２２の積層方向における表側および裏側の方向から供給され、電極１０２を介して、それぞれの超電導積層導体１２２に通電される。

【0027】

超電導積層導体１２２は、積層方向における中央から超電導積層導体１２２の最上面１２２Ｕの間に積層された１５枚のテープ状超電導線材１２２２（上側半部の一例）は、上向きとなるように、積層されており、かつ積層方向における中央から超電導積層導体１２２の最下面１２２Ｌの間に積層された１５枚のテープ状超電導線材１２２２（下側半部の一例）は、下向きとなるように、積層されている。換言すれば、表側、すなわち上側半分のテープ状超電導線材１２２２では、基板１２２２ｂよりも上方に超電導層１２２２ｄが位置し、裏側、すなわち下側半分のテープ状超電導線材１２２２では、基板１２２２ｂよりも下方に超電導層１２２２ｄが位置する。

【0028】

これにより、超電導積層導体１２２は、表側（最上面１２２Ｕ側）に位置する場合でも、裏側（最下面１２２Ｌ）側に位置する場合でも、導通パスの長さを短くすることができ。よって、超電導積層導体１２２の積層体の向き、すなわちケーブルコア１２０の向きによる導通への影響を抑制することができる。ここで、導通パスとは、電極１０２に対して電力供給される位置から、複数のテープ状超電導線材１２２２のそれぞれの超電導層１２２２ｄまでの通電する経路の長さを指す。

【0029】

なお、図４には図示されていないが、テープ状超電導線材１２２２は一枚一枚、外周に素線絶縁シート１２６（図５参照）が巻回されており、他のテープ状超電導線材１２２２から絶縁されている。素線絶縁シート１２６は、表面が滑らかな材料からなり、例えば耐熱性・耐電圧性を有する樹脂製である。素線絶縁シート１２６は、例えばポリイミド製のテープであってもよい。よって、各超電導積層導体１２２において、積層方向で隣り合うテープ状超電導線材１２２２同士が互いに摺動可能となる。これにより、積層されたテープ状超電導線材１２２２間の摺動性を確保することができる。また、最上面１２２Ｕおよび最下面１２２Ｌに位置するテープ状超電導線材１２２２と外周の相間絶縁シート１２４との間の摺動性も得ることができる。そのため、超電導積層導体１２２の可撓性・屈曲性、ひいては超電導ケーブル１００の可撓性・屈曲性を確保することができる。

【0030】

超電導積層導体１２２は、外周に相間絶縁シート１２４が巻回されている。相間絶縁シート１２４は、絶縁性材料で構成されている。相間絶縁シート１２４は、例えばクラフト紙を用いることができる。本実施の形態では、相間絶縁シート１２４は、各超電導積層導体１２２の外周に多重に巻回されているため、相間絶縁シート１２４のみで超電導積層導体１２２同士を絶縁することができる。すなわち、他の絶縁するための構造物を要することなく、超電導積層導体１２２同士の相間絶縁を確保することができる。したがって、超電導ケーブル１００の構成の簡素化および軽量化を図ることができる。一例として、多重巻回された相間絶縁シート１２４の厚さは２ｍｍであり、十分薄いため、多重巻回であってもケーブルコア１２０を著しく大径化することはない。

【0031】

相間絶縁シート１２４は、図５に示すように軸方向で隙間１２７を空けつつスパイラル状に巻回される。相間絶縁シート１２４の隙間１２７は、例えば１～２ｍｍ程度である。これにより、超電導積層導体１２２の屈曲に伴う皺等の発生を抑制することができる。なお、相間絶縁シート１２４は、隙間１２７を空けずに、超電導積層導体１２２の外周を完全に被覆するように巻回されてもよい。

【0032】

断熱管１５０は、一本の超電導ケーブル１００として複数本のケーブルコア１２０を纏めて内部に収容すると共に、ケーブルコア１２０を冷却するための冷媒を充填させ流通させることが可能な管状部材である。また、断熱管１５０は、外部の熱が内部に伝達するのを遮断可能な断熱性を有する。以下の実施例では、断熱管１５０がコルゲート管１５２である場合について、説明する。

【0033】

断熱管１５０は、コルゲート管１５２および断熱材１５４を有する。断熱材１５４は、コルゲート管１５２の外周に沿って備えられる。断熱材１５４は、コルゲート管１５２の外周面を被覆して設けられてもよい。

【0034】

コルゲート管１５２は、円管形状の軸方向断面を有する管状部材であり、内周面および外周面に、周方向の溝が波形形状に形成されている。なお、コルゲート管１５２は、内周面および外周面の周方向の溝が、さらに軸方向のスパイラル状に形成されていてもよい。コルゲート管１５２は、円管形状における内周面を外縁とする内部空間１５２１を有する。内部空間１５２１は、複数本のケーブルコア１２０を収容することが可能で、かつ使用時には冷媒を一方向に流通させることが可能である。

【0035】

超電導ケーブル１００は、コルゲート管１５２の内側に、従来技術である三相同軸ケーブルにおけるフォーマに相当する、他の冷媒を流通させる管状部材を有していない。すなわち、コルゲート管１５２が、複数本のケーブルコア１２０を収容しかつ冷媒を流通させる流路を形成する単一の管状部材である。すなわち、断熱管１５０は、単管構造を有する。コルゲート管１５２の材料は、冷媒が使用される極低温において、所定の弾性を有することが望ましい。本実施の形態では、コルゲート管１５２は、例えばステンレス材料等の金属製である。

【0036】

上記従来の超電導ケーブル等、二重管構造を有する超電導ケーブルでは、二重管がケーブル全体の重量のうちかなりの割合（例えば約７割）を占めていた。一方、断熱管１５０が単管構造を採る本実施の形態では、単純に管状部材の本数が２本から１本に減る分、大幅にケーブル全体の重量を軽量化することができる。また、冷媒等のための内部空間を形成する管、すなわちコルゲート管１５２の外側に、別の大径の管を設ける必要がなくなる。このため、断熱管１５０の細径化、ひいては超電導ケーブル２００全体の細径化が図られる。

【0037】

断熱管１５０は、コルゲート管１５２の周面に沿って断熱材１５４を配置した構成を有する。断熱材１５４としては、冷媒が使用される極低温において断熱性を有する材料を用いることが好ましい。断熱材１５４は、外部からコルゲート管１５２への熱の侵入を防止する。断熱材１５４は、例えば断熱シートであってもよい。断熱シートは、例えばアルミ蒸着ポリエステルフィルムにポリエステルのネットや不織布を層状に重ねた素材である。断熱シートは、コルゲート管１５２の外周に巻きつけられて、コルゲート管１５２の外周を被覆する。断熱シートは、コルゲート管１５２への輻射熱の侵入を防止する。この構成により、単管構造であっても、超電導ケーブル１００に適した断熱を行うことができる。また、コルゲート管１５２の周面に沿って断熱材１５４を配置するため、確実な断熱が可能である。

【0038】

特に、本実施の形態では、断熱管１５０が、コルゲート管１５２から構成された単管構造であり、断熱材１５４をコルゲート管１５２の外周側に配置することが好ましい。本実施の形態では、図２に示すように、断熱材１５４はコルゲート管１５２の外周面を被覆して設けられている。この構成では、超電導ケーブル１００の内側の大部分を冷媒用の空間として使用することができるため、コルゲート管１５２を細径化しても、冷媒の流路の確保が容易となる。

【0039】

コルゲート管１５２の内部空間１５２１において、それぞれが超電導積層導体１２２を有する複数本のケーブルコア１２０は、多芯構造（本実施の形態では三芯構造）に配置されている。本実施の形態のように、超電導積層導体１２２を用いて構成されたケーブルコア１２０の多芯構造を採用したことで、上記従来の同軸型の構造に比べて、ケーブル全体の構成をシンプルにすることができる。この場合、三本纏めたケーブルコア１２０の外径を、三層の超電導体を同軸状に配置した従来の超電導ケーブルのケーブルコアに比べて、大幅に細径化することができる。このように、ケーブルコア１２０を細径化したことにより、断熱管１５０の大幅な細径化が可能となり、その結果、断熱管１５０の重量が著しく軽量化されることで、ケーブル全体の重量を軽量化することができる。さらに、断熱管１５０を単管構造とした場合、さらにケーブル全体の重量を軽量化することができる。

【0040】

さらに、本実施の形態では、複数本のケーブルコア１２０をそれぞれ構成する導体が、テープ状超電導線材１２２２を多数積層した積層体（超電導積層導体１２２）であるため、構造が簡素である。

【0041】

すなわち、本実施の形態によれば、超電導ケーブル１００は、使用時に冷媒を流通させる内部空間１５２１を有する断熱管１５０と、それぞれが複数のテープ状超電導線材１２２２を積層した積層体であり、内部空間１５２１内で互い絶縁されて多芯構造に配置された複数の超電導積層導体１２２と、を有する。この構成によれば、上述した通り、大電流の通電性能を確保しつつ、ケーブル全体の構成の簡素化と軽量化との両立を図ることができる。

【0042】

また、図２に示されるように、本実施の形態では、複数本のケーブルコア１２０、すなわち複数本の超電導積層導体１２２は、断熱管１５０に、緩挿された状態で収容されている。複数本纏めたケーブルコア１２０の外径が、断熱管１５０の内径よりも十分に小さくなり、ケーブルコア１２０以外の内部空間１５２１の容量を全て冷媒の容量として利用することができる。このため、超電導ケーブル１００を細径化しても、一定程度の冷媒容量を確保することができる。また、ケーブルコア１２０の収容に遊びがあるため、その分、断熱管１５０を屈曲させる際に、断熱管１５０の屈曲に伴って断熱管１５０とケーブルコア１２０との間で接触等が生じるのを低減することができる。これにより、超電導ケーブル１００の可撓性および屈曲性を確保することができる。よって、超電導ケーブル１００を使用環境にて配線する際の、超電導ケーブル１００の取り回しが良好となる。

【0043】

（実証試験）
発明者らは、超電導ケーブル１００を製造して、製造した超電導ケーブル１００について実証試験を行った。具体的には、大気中・液体窒素（７７Ｋ）浸漬冷却の環境下で、各相のケーブル臨界電流値（Ｉ_ｃ値）を、直流４端子法にて取得した。その結果、各相Ｉ_ｃ値は約１９００Ａとなり、飛行体の推進に必要な、直流通電での目標Ｉ_ｃ値（＝１５７０Ａ）以上の通電を達成した。すなわち、この試験により、本実施の形態に係る超電導ケーブル１００は、飛行体用電気推進システム（電気推進システム１）において、少なくとも直流通電用（送電ケーブル２０としての使用）に適していることが確認された。なお、今回、実証試験を行った超電導ケーブル１００のケーブル長は２０ｍである。

【0044】

また、例えば特許文献１に記載の三相同軸型の超電導ケーブル（１１ｋＶ－３ｋＡ）では、同軸構造ケーブルコアの重量２．４ｋｇ／ｍ、二重コルゲート管の重量７．９ｋｇ／ｍ、断熱材の重量なし（真空）および液体窒素１．８ｋｇ／ｍであり、合計重量は１２．１ｋｇ／ｍとなり、単位重量は４．０３ｋｇ／ｋＡ／ｍであった。これに対し、本実施の形態に係る超電導ケーブル１００（１ｋＶ－１．５ｋＡ）では、三芯構造のケーブルコア１２０の重量０．５７ｋｇ／ｍ、単一のコルゲート管１５２の重量０．５８ｋｇ／ｍ、断熱材１５４の重量０．２７ｋｇ／ｍおよび液体窒素の重量０．５２ｋｇ／ｍであり、合計重量は１．９４ｋｇ／ｍとなり、単位重量は１．２９ｋｇ／ｋＡ／ｍとなった。よって、本実施の形態に係る超電導ケーブル１００では、従来の三相同軸型の超電導ケーブルに対して約１／３の重量を達成した。ここで、三相同軸型の超電導ケーブル（１１ｋＶ－３ｋＡ）ではφ６４．３ｍｍであったケーブルコアの外径を、積層導体にすることにより、超電導ケーブル１００（１ｋＶ－１．５ｋＡ）ではφ３９．５ｍｍに細径化することができ、同時に軽量化することができている。ケーブルコア１２０の外径の細径化が、超電導ケーブル１００全体の重量の軽量化に大きく寄与している。

【0045】

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態を含む以下の説明では、上述した実施の形態と共通または対応する部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略または簡略化する。ここでは、上述した実施の形態との相違点を中心に説明する。

【0046】

図６は、本実施の形態に係る超電導ケーブル２００の断面構成を模式的に示す図である。本実施の形態に係る超電導ケーブル２００は、主として、相間絶縁に相間絶縁スペーサ２２８を用いる点で、実施の形態１で説明した超電導ケーブル１００と相違する。

【0047】

相間絶縁スペーサ２２８は、断熱管１５０の内部空間１５２１を複数の室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃに分割する。複数のケーブルコア２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ（以下、総称として「ケーブルコア２２０」という場合がある。）は、これら複数の室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃにそれぞれ配置されている。なお、ケーブルコア２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃはそれぞれ、超電導積層導体１２２の外周に相間絶縁シート２２４を巻回して構成されている。

【0048】

相間絶縁スペーサ２２８の材料は、所定の絶縁性を有していればよく、特に限定されない。相間絶縁スペーサ２２８は、金属製の場合と比較して大幅に軽量とすることができるため、樹脂製とすることが望ましい。相間絶縁スペーサ２２８の樹脂材料は、冷媒が使用される極低温での信頼性が高いものであることが好ましい。さらに、信頼性と加工容易性とを両立した樹脂材料であることが望ましい。具体的には、相間絶縁スペーサ２２８の樹脂材料は、耐寒温度が－５０℃以下であることが望ましい。また、相間絶縁スペーサ２２８の材料は、冷媒を使用する極低温において可撓性および弾性を有することが望ましい。また、相間絶縁スペーサ２２８の樹脂材料は、押出成形に適していることが望ましい。相間絶縁スペーサ２２８を構成する樹脂材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリフェニルスルフォン樹脂、ガラス繊維強化樹脂等が挙げられる。相間絶縁スペーサ２２８を構成する樹脂材料は、ポリオレフィン樹脂等のゴム代替材料であってもよい。

【0049】

相間絶縁スペーサ２２８が樹脂製である場合に用いられる樹脂材料の機械特性は、例えば、密度が１．２９ｇ／ｃｍ^３以下であり、ＩＳＯ１７９１ｅＡで規定される－３０℃におけるノッチ付きシャルピー衝撃強さが２５ｋＪ／ｍ^２、およびＩＳＯ２０３９－１で規定されるボール圧入硬度が１２４ＭＰａ以上である。また、相間絶縁スペーサ２２８が樹脂製である場合に用いられる樹脂材料の電気特性は、例えば、ＩＥＣ６０２５０で規定される１００Ｈｚに対する誘電率が３．８以下、ＩＥＣ６０２５０で規定される１００Ｈｚに対する誘電正接が１７Ｅ－４以下、ＩＥＣ６００９３で規定される体積抵抗が１０^１３Ω・ｃｍより大きく、ＩＥＣ４０２５で規定される表面抵抗率が１０^１４Ωより大きく、ＩＥＣ６０２４３－１３で規定される絶縁耐力が４４ｋＶ／ｍｍ以上、および、ＩＥＣ６０１１２で規定される耐トラッキング性が１５０以上である。

【0050】

相間絶縁スペーサ２２８は、内部空間１５２１を断熱管１５０（コルゲート管１５２）の軸周り方向に、複数の室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃに分割する。よって、ケーブルコア２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃをそれぞれの室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃに収容させることで、ケーブルコア２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃを断熱管１５０の軸周り方向に分散させ、維持することができる。これにより、断熱管１５０内でのケーブルコア２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃの偏在を回避して、より確実な相間絶縁やより均等な冷却を実現することができる。

【0051】

相間絶縁スペーサ２２８は、断熱管１５０において径方向に放射状に延在する複数の隔壁２２８１ａｂ、２２８１ｂｃ、２２８１ｃａを有する。これにより、相間絶縁スペーサ２２８は、内部空間１５２１を軸周り方向で確実に複数の室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃに分割することができ、確実に断熱管１５０内でのケーブルコア２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃの偏在を回避することができる。

【0052】

本実施の形態では、相間絶縁スペーサ２２８を配置して内部空間１５２１を分割し、これにより形成された各室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃに個別にケーブルコア２２０（超電導積層導体１２２）を配置する構成により、簡単に相間絶縁を実現することができる。このため、各ケーブルコア２２０においては必ずしも、相間絶縁シート２２４単体で相間絶縁を実現する必要はない。相間絶縁シート２２４は、超電導積層導体１２２の積層状態を維持できる程度に超電導積層導体１２２を束ねていれば良い。相間絶縁シート２２４は、例えば、相間絶縁シート２２４の厚さは０．２ｍｍでよい。そこで、本実施の形態では、各ケーブルコア２２０において、超電導積層導体１２２の外周には、相間絶縁シート２２４が一重だけ巻回されている。これにより、超電導積層導体１２２への通電時、超電導積層導体１２２からの排熱を効率よく行うことができる。

【0053】

複数の隔壁２２８１ａｂ、２２８１ｂｃ、２２８１ｃａは、断熱管１５０の軸方向でスパイラル状に延在している（図７参照）。したがって、隔壁２２８１ａｂ、２２８１ｂｃ、２２８１ｃａによって区画された各室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃにケーブルコア２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃを収容すると、ケーブルコア２２０を撚り合わせた状態に容易に維持することができる。また、隔壁２２８１ａｂ、２２８１ｂｃ、２２８１ｃａは、断熱管１５０の軸方向でスパイラル状の形状であることにより、超電導ケーブル２００の可撓性および屈曲性を著しく阻害することがない。

【0054】

以上のように本実施の形態によれば、超電導ケーブル２００は、断熱管１５０に内挿され、内部空間１５２１を複数の室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃに分割する相間絶縁スペーサ２２８を有する。複数の超電導積層導体１２２は、複数の室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃに個別に配置されている。この構成により、相間絶縁スペーサ２２８を断熱管１５０内に配置するだけで相間絶縁を実現することができ、また、簡素な構成であるため、ケーブル全体の構成の簡素化および軽量化を図ることができる。

【0055】

また、図６に示されるように、本実施の形態では、複数本のケーブルコア２２０（複数本の超電導積層導体１２２）は、各室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃに、緩挿された状態で収容されている。これにより、各ケーブルコア２２０の軸方向における断面積が、各室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃの軸方向における断面積よりも十分に小さい。このため、ケーブルコア２２０以外の室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃの容量を全て冷媒の容量として利用することができる。よって、ケーブルコア２２０を十分に冷却することができる。また、ケーブルコア２２０の収容に遊びがあるため、その分、断熱管１５０を屈曲させる際に、断熱管１５０の屈曲に伴って断熱管１５０とケーブルコア２２０との間で接触等が生じるのを低減することができる。これにより、超電導ケーブル２００の可撓性および屈曲性を確保することができる。よって、超電導ケーブル２００を使用環境にて配線する際の、超電導ケーブル２００の取り回しが良好となる。

【0056】

（実証試験）
発明者らは、本実施の形態に係る超電導ケーブル２００について実証試験を行った。実証試験は、超電導ケーブル２００を１ｍの長さについて、大気中・液体窒素（７７Ｋ）浸漬冷却の環境下で、交流通電測定を実施した。交流通電による導体劣化判定が困難であるため、この試験では、交流通電前後に直流通電での臨界電流値（Ｉ_ｃ値）を測定した。まず、直流４端子法にて得られた超電導ケーブル２００のＩ_ｃ値は３８００Ａであった。続いて、交流通電を、５００Ａ_ｒｍｓ（負荷率０．１９）から１４００Ａ_ｒｍｓ（負荷率０．５２）まで５１Ｈｚにて行った。そして、電流値を変化させる毎に直流４端子法にてＩ_ｃ値を測定して、導体劣化を判定した。その結果、事前に把握したＩ_ｃ値３８００Ａが観測され、また、劣化がないことが確認された。一般に、交流通電では、直流通電時には発生しない交流損失による発熱があるため、直流通電に比べて要求性能を満たすことが難しくなるところ、この試験により、本実施の形態に係る超電導ケーブル２００は、交流通電での要求性能を満たすことが確認された。すなわち、本実施の形態に係る超電導ケーブル２００は、飛行体用電気推進システム（実施の形態１で説明した電気推進システム１）において、交流通電用（送電ケーブル２１としての使用）にも適していることが確認された。

【0057】

また、本実施の形態に係る超電導ケーブル２００（１ｋＶ－１．５ｋＡ）では、三芯構造のケーブルコア２２０の重量０．５７ｋｇ／ｍ、単一のコルゲート管１５２の重量０．５８ｋｇ／ｍ、断熱材１５４の重量０．２７ｋｇ／ｍ、液体窒素の重量０．５２ｋｇ／ｍおよび相間絶縁スペーサ２２８の重量０．２３ｋｇ／ｍであり、合計重量は２．１７ｋｇ／ｍとなり、単位重量は１．４５ｋｇ／ｋＡ／ｍとなった。よって、本実施の形態に係る超電導ケーブル２００では、従来の三相同軸型の超電導ケーブルに対して約１／３の重量を達成した。

【0058】

（実施の形態２の変形例１）
断熱管１５０は、いわゆる真空断熱管であってもよい。具体的には、図８に示す超電導ケーブル２００Ａにおいて、断熱管１５０は、内管１５６ａ、外管１５６ｂ、および内管１５６ａと外管１５６ｂとの間の空間１５６ｃを有する。ここで、外管１５６ｂは、内管１５６ａの外周に配置される。断熱管１５０の空間１５６ｃは真空状態である。これにより断熱管１５０は、外周に断熱材１５４を備える必要がないため、細径化しつつ効果的に断熱を行うことができる。なお、内管１５６ａおよび外管１５６ｂはコルゲート管であることが望ましい。また、内管１５６ａと外管１５６ｂとの材料は、同じであってもよく、異なってもいてもよい。断熱管１５０、すなわち、内管１５６ａと外管１５６ｂの材料には、例えばステンレス材料等の金属材料を用いることができる。また、断熱管１５０は、内管１５６ａの外周に断熱材１５４を備えてもよい。

【0059】

（実施の形態２の変形例２）
図９に変形例として示す超電導ケーブル２００Ｂのように、相間絶縁スペーサ２２８Ａを、断熱管１５０（コルゲート管１５２）に、緩挿された状態で収容してもよい。この場合、実施の形態２で説明した相間絶縁スペーサ２２８に比べてさらに、超電導ケーブル２００Ｂの可撓性および屈曲性を確保しやすくなる。また、相間絶縁スペーサ２２８Ａの隔壁２２８１ａｂ、２２８１ｂｃ、２２８１ｃａのいずれもの先端は、内部空間１５２１内で断熱管１５０に、接合していない。このような構成により、複数の室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃは、互いに流体が連通可能な状態となる。よって、例えば図９に示す通り室１５２１ａ、１５２１ｂが室１５２１ｃの上方で並んだ状態を前提として、室１５２１ａに液体窒素が一部気化した場合に、気化した窒素を室１５２１ａに閉じ込めることなく、隔壁２２８１ａｂの上方に形成される隙間の部分に気体を配置させることができる。隔壁２２８１ａｂの上方部分にはケーブルコア２２０（ケーブルコア２２０ａ、２２０ｂ）は位置しにくいため、ケーブルコア２２０（ケーブルコア２２０ａ、２２０ｂ）が気体に曝される可能性が低い。このように、室１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃ間での流体（冷媒）の移動を容易にすることで、冷却効果に偏りが生じることを抑制することができる。なお、図９では、相間絶縁スペーサ２２８Ａの隔壁２２８１ｂｃ、２２８１ｃａの先端が断熱管１５０と接しているように見えるが、流体の流通は可能となっている。

【0060】

以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は上述した特定の実施の形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、上記実施の形態に記載された具体例に対する種々の変形および変更が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0061】

本発明の超電導ケーブルは、送電ケーブルや電力供給ケーブルとして好適に利用することができる。

【符号の説明】

【0062】

１ 電気推進システム
１１ タービン
１２ 燃料タンク
１３、１７ 出力軸
１４ 超電導発電機
１５ インバーター
１６ 超電導モータ
１８ プロペラ
１９ 冷却システム
２０、２１ 送電ケーブル
１００、２００、２００Ａ、２００Ｂ 超電導ケーブル
１０２ 電極
１２０、２２０、２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ ケーブルコア
１２２ 超電導積層導体
１２２Ｕ 最上面
１２２Ｌ 最下面
１２２２ 超電導線材
１２２２ａ、１２２２ｆ 安定化層
１２２２ｂ 基板
１２２２ｃ 中間層
１２２２ｄ 超電導層
１２２２ｅ 保護層
１２４、２２４ 相間絶縁シート
１２６ 素線絶縁シート
１２７ 隙間
１５０ 断熱管
１５２ コルゲート管
１５２１ 内部空間
１５２１ａ、１５２１ｂ、１５２１ｃ 室
１５４ 断熱材
１５６ａ 内管
１５６ｂ 外管
１５６ｃ 空間
２２８、２２８Ａ 相間絶縁スペーサ
２２８１ａｂ、２２８１ｂｃ、２２８１ｃａ 隔壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】