專利名稱：超導電纜的終端結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導電纜的終端結(jié)構(gòu)，其中超導電纜的終端構(gòu)件通過套管從低溫側(cè)延伸到室溫側(cè)。尤其是，本發(fā)明涉及一種超導電纜的終端結(jié)構(gòu)，它能夠在延長的時間段保持放置在低溫側(cè)和室溫側(cè)之間的凸緣的氣密性。
背景技術(shù)：
通常，例如圖5中所示結(jié)構(gòu)已知為超導電纜的終端結(jié)構(gòu)(參見專利文獻1)。該終端結(jié)構(gòu)包括超導電纜100的終端，容納該終端的制冷劑槽101，提供從電纜100的超導導體100a到室溫側(cè)的電傳導的套管102，覆蓋制冷劑槽101的外周邊的真空容器103，從真空容器103的室溫側(cè)突出的瓷管104。
套管102在其中央具有導體102a，該導體經(jīng)過接頭105電連接到超導導體100a上，并且圍繞該導體覆蓋有固態(tài)絕緣體102b，如乙烯丙烯橡膠，并從真空容器103到瓷管104被容納。注意的是，在圖5中所示的例子中，壓力錐102c分別設(shè)置在套管102的兩端附近的固態(tài)絕緣體102b的外周邊上。
瓷管104填滿絕緣流體104a，如絕緣油和SF6氣體。制冷劑槽101包括填滿液體制冷劑101(如從供料管106供給的液氮)的液體制冷劑層101b，和填滿制冷劑氣體101c的氣態(tài)制冷劑層101d，該制冷劑氣體如圖5中液體制冷劑層101b上的層中的氦氣和氮氣。制冷劑氣體101c可以通過排放管107排放。制冷劑氣體101c也保持由加壓器(未示出)加壓的狀態(tài)下，從而液體制冷劑101a不會上升到室溫側(cè)。
低溫側(cè)的真空容器103和室溫側(cè)的瓷管104由凸緣108分開。該凸緣108通常設(shè)置有密封件109，以保持氣密性，從而防止氣態(tài)制冷劑層101d的制冷劑氣體101c進入室溫側(cè)中的瓷管104。
專利文獻1日本專利公開No.2002-238144(圖3)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將解決的問題然而，上述傳統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)具有一問題，其中長期使用可能導致凸緣的密封件受到制冷劑冷卻而硬化，從而降低其密封性能，將制冷劑氣體泄漏到室溫側(cè)，換句話說，可能無法保持氣密性。
于是，本發(fā)明的主要目的是提供一種超導電纜的終端結(jié)構(gòu)，它能夠在長期使用中防止設(shè)置在室溫側(cè)和低溫側(cè)之間的邊界上的密封件的氣密性退化。
解決問題的方法通過限定氣態(tài)制冷劑層的尺寸，本發(fā)明實現(xiàn)了上述目的。尤其是，本發(fā)明是超導電纜的終端結(jié)構(gòu)，該超導電纜的終端構(gòu)件通過套管從低溫側(cè)延伸到室溫側(cè)，其特征在于，該終端結(jié)構(gòu)包括在低溫側(cè)中冷卻套管的制冷劑槽，該制冷劑槽包括氣態(tài)制冷劑層和液態(tài)制冷劑層，并且在氣態(tài)制冷劑層中，制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊之間的距離尺寸確定成使得，在不由加壓器加壓的情況下，保持氣態(tài)，并且氣態(tài)制冷劑和液態(tài)制冷劑的相應(yīng)壓力之間彼此平衡。
傳統(tǒng)上，在氣態(tài)制冷劑層中，制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊較寬地間隔開，如圖5中所示，從而確保足夠的絕緣距離，并且在室溫側(cè)和低溫側(cè)之間的邊界上設(shè)置的凸緣附近也較寬地間隔開。尤其是，例如，如果套管直徑大致為150毫米，則凸緣附近的制冷劑槽的寬度(內(nèi)表面之間的距離)大致為400毫米，也就是，制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊之間的距離大致為125毫米。
然而，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，凸緣附近的制冷劑槽的寬度(制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊之間的距離)非常寬，從而無法建立從低溫側(cè)到室溫側(cè)的平緩溫度梯度，并且設(shè)置在凸緣中的密封件受到氣態(tài)制冷劑和進入的液態(tài)制冷劑冷卻，于是硬化而降低氣密性。為了建立平緩的溫度梯度，可以延長在從氣態(tài)制冷劑層的低溫側(cè)朝室溫側(cè)方向上的長度。然而，長度的這種延長導致了制冷劑槽和真空容器的尺寸增大，從而導致終端結(jié)構(gòu)尺寸增大。因此，本發(fā)明不通過在從氣態(tài)制冷劑層的低溫側(cè)朝室溫側(cè)方向上延長長度，而是通過減小尤其是凸緣附近的制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊之間的距離，實現(xiàn)了更加緊湊的構(gòu)造。
另外，制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊之間的減小的距離有助于氣態(tài)制冷劑的壓力增加。因此，通過適當調(diào)節(jié)氣態(tài)制冷劑層的尺寸，氣態(tài)制冷劑可以在不像常規(guī)情況中那樣受到加壓器加壓的情況下保持在氣態(tài)。于是，在不需要另外提供加壓器的情況下，可以將終端結(jié)構(gòu)制作得更加緊湊。
根據(jù)本發(fā)明，套管包括能夠提供與超導電纜的超導導體的電傳導的導體，和覆蓋該導體的外周邊的固態(tài)絕緣體。套管的該導體可以由導電材料制成，如像銅和鋁(在77K具有ρ＝2×10-7Ω·cm的電阻率)那樣的金屬，它們即使在超導電纜使用的制冷劑溫度附近也具有較低的電阻，例如當將液氮用作制冷劑時，為液氮的溫度。固態(tài)絕緣體可以是絕緣樹脂，例如如乙烯丙烯橡膠之類的絕緣橡膠材料，最好是纖維加強塑料(FRP)，由于其絕緣性能如此高，使得氣態(tài)制冷劑層的寬度(制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊之間的距離)可以較窄。尤其是，制冷劑槽最好用如不銹鋼之類的金屬制成，并且使用固態(tài)絕緣體，該固態(tài)絕緣體構(gòu)造成包括FRP構(gòu)件，該FRP構(gòu)件使其最外層覆蓋有如不銹鋼之類的金屬，以允許制冷劑槽和套管的相應(yīng)的相對表面是金屬的。因此，所謂的銷釘(bayonet)結(jié)構(gòu)得到應(yīng)用，并且可以使氣態(tài)制冷劑層的寬度較窄。
優(yōu)選地是制冷劑槽設(shè)置在具有真空隔熱層的真空容器中，該制冷劑槽優(yōu)選還由具有良好強度的金屬制成，如不銹鋼。該構(gòu)造可以類似于傳統(tǒng)真空容器和制冷劑槽。
關(guān)于氣態(tài)制冷劑層的尺寸，制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊之間的距離尺寸確定成使得，在不受加壓器加壓的情況下保持氣態(tài)，并且氣態(tài)制冷劑和液態(tài)制冷劑的相應(yīng)壓力彼此平衡。因此，可以根據(jù)液態(tài)制冷劑的壓力和進入熱量的量等進行調(diào)節(jié)。例如，如果液氮用作液態(tài)制冷劑，并且壓力為大約0.3至0.5MPa，則制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊之間的距離可以是大約0.1至2.5毫米，并且氣態(tài)制冷劑層的長度(從低溫側(cè)朝室溫側(cè)的方向上的距離)可以是大約300至500毫米。氣態(tài)制冷劑層的減小的長度增大了制冷劑槽的內(nèi)表面和套管的外周邊之間的距離。因此，優(yōu)選是對長度和距離進行選擇，從而提供期望尺寸的終端結(jié)構(gòu)。
關(guān)于氣態(tài)制冷劑和液態(tài)制冷劑供給到制冷劑槽中，優(yōu)選是例如首先將氣態(tài)制冷劑供給到制冷劑槽中，然后將液態(tài)制冷劑供給到其中，從而平衡氣態(tài)制冷劑和液態(tài)制冷劑的相應(yīng)壓力。然后，優(yōu)選是將制冷劑槽氣密密封，以保持壓力平衡，從而在不需要由加壓器加壓的情況下將氣態(tài)制冷劑保持在加壓狀態(tài)。在這種情況下，優(yōu)選是液態(tài)制冷劑由制冷器冷卻，從而可以保持在適當?shù)臏囟认?。液態(tài)制冷劑也可以進行循環(huán)，用于冷卻。盡管液態(tài)制冷劑的移動或多或少可能導致液面水平變化，但是可以調(diào)節(jié)液態(tài)制冷劑的壓力，以平衡氣態(tài)制冷劑和液態(tài)制冷劑的相應(yīng)壓力，從而保持其平衡狀態(tài)。
用于氣態(tài)制冷劑層和液態(tài)制冷劑層的制冷劑可以是相同類型或不同類型。例如，氮氣和氦氣等可以用作氣態(tài)制冷劑層的制冷劑，并且例如液氮可以用作液態(tài)制冷劑層的制冷劑。
根據(jù)本發(fā)明，氣態(tài)制冷劑層的氣態(tài)制冷劑處于加壓狀態(tài)。因此，液態(tài)制冷劑壓靠低溫側(cè)，以防止液態(tài)制冷劑泄漏到室溫側(cè)。優(yōu)選是另外設(shè)置泄漏防止構(gòu)件，從而可以更加有效地防止液態(tài)制冷劑的泄漏。泄漏防止構(gòu)件的形狀可以是能夠限制液態(tài)制冷劑泄漏到室溫側(cè)的任何形狀。例如，泄漏防止構(gòu)件可以具有環(huán)形，它可以配裝到套管的外周邊上，以允許套管從中通過。另外，泄漏防止構(gòu)件可以具有可配裝到制冷劑槽中氣態(tài)制冷劑層和液態(tài)制冷劑層之間的邊界處并圍繞該邊界的形狀。泄漏防止構(gòu)件的材料可以是橡膠基樹脂材料，如乙烯丙烯橡膠，并且由于對如液氮之類的制冷劑的良好流阻，所以優(yōu)選是硅基樹脂材料。
本發(fā)明的效果在本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)中，上述氣態(tài)制冷劑層的具體尺寸能夠在不過度增大氣態(tài)制冷劑層的長度的情況下，提供從低溫側(cè)到室溫側(cè)的平緩溫度梯度。于是，盡管已經(jīng)存在由于由氣態(tài)制冷劑冷卻密封件所導致的凸緣密封件硬化而密封性能降低的問題，但是可以防止該問題。因此，本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)能夠限制長期使用中凸緣的密封件的氣密性降低，以實現(xiàn)防止氣態(tài)制冷劑泄漏到室溫側(cè)。
而且，在本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)中，液態(tài)制冷劑可以壓靠低溫側(cè)，以防止由于氣態(tài)制冷劑層中氣態(tài)制冷劑在不使用加壓器的情況下通過自身處于加壓狀態(tài)而升高到室溫側(cè)中。因此，保持了氣態(tài)制冷劑層的溫度梯度，從而可以防止凸緣的密封件的密封性能的降低。
另外，在本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)中，氣態(tài)制冷劑在不使用加壓器的情況下處于加壓狀態(tài)。因此，可以消除氣態(tài)制冷劑層的加壓器，并且可以減少部件的數(shù)量。


圖1是本發(fā)明的超導電纜的終端結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是圖1中區(qū)域II的部分放大圖；圖3是凸緣及帶有環(huán)形構(gòu)件的附近的放大視圖，它是在本發(fā)明的超導電纜的終端結(jié)構(gòu)中具有泄漏防止構(gòu)件的例子；圖4是凸緣及帶有塊形構(gòu)件的附近的放大視圖，它是在本發(fā)明的超導電纜的終端結(jié)構(gòu)中具有泄漏防止構(gòu)件的例子；圖5是傳統(tǒng)超導電纜的終端結(jié)構(gòu)的示意圖。
附圖標記描述10套管，10a導體，10b固態(tài)絕緣體，10c上罩，11制冷劑層，11a內(nèi)表面，11b真空絕緣層，12真空容器，13液氮層，13a液氮，14氮氣層，14a氮氣，15制冷器，20環(huán)形構(gòu)件，21塊形構(gòu)件，100超導電纜，100a超導導體，100b，105接頭，101制冷劑層，101a液態(tài)制冷劑，101b液態(tài)制冷劑層，101c氣態(tài)制冷劑，101d氣態(tài)制冷劑層，102套管，102a導體，102b固態(tài)絕緣體，102c壓力錐，103真空容器，104瓷管，106供料管，107排放管，108凸緣，109密封件具體實施方式
下文中將描述本發(fā)明的實施例。
實施例1參照圖1和2，描述了本發(fā)明的超導電纜的終端結(jié)構(gòu)。注意的是，在圖中相同的附圖標記表示相同部件。該終端結(jié)構(gòu)在其基本結(jié)構(gòu)上類似于圖5中所示傳統(tǒng)超導電纜的結(jié)構(gòu)。換句話說，該終端結(jié)構(gòu)包括超導電纜100的終端；套管10，該套管連接到電纜100的超導導體100a上，以提供從低溫側(cè)到室溫側(cè)的電傳導；容納電纜100的終端和套管10的制冷劑槽11；覆蓋制冷劑槽11的外周邊的真空容器12；和從真空容器12的室溫側(cè)突出的瓷管104。制冷劑槽11包括其低溫側(cè)中的液氮層(液體制冷劑層)，和其室溫側(cè)中的氮氣層(氣態(tài)制冷劑層)14，該液氮層和氮氣層彼此相鄰。凸緣108放置在低溫側(cè)和室溫側(cè)之間，并且在凸緣108中，密封件109設(shè)置在與套管10的外周邊的邊界上，以提供氣密性。
本發(fā)明的特征在于，氮氣層14的尺寸，具體的說在于制冷劑槽11的內(nèi)表面11a和套管10的外周邊之間的距離t尺寸確定成使得氮氣在不受加壓器加壓的情況下保持在氣態(tài)，并且氮氣的壓力和液氮的壓力彼此平衡。每個構(gòu)造將詳細描述如下。
本例子中使用的套管10(直徑140毫米)包括能夠提供與超導電纜100的超導導體100a電傳導的導體10a(直徑為40毫米)，和覆蓋導體10a的外周邊的固態(tài)絕緣體10b(厚度為50毫米)。超導導體100a和套管10的導體10a經(jīng)過接頭100b連接。本例子中使用的導體10a由在液氮溫度附近的溫度下具有低電阻的銅制成。固態(tài)絕緣體10b用具有良好絕緣性的FRP制成。而且，在本例子中，用銅制成的上罩10c設(shè)置在圖1中套管10的上端(設(shè)置在室溫側(cè)中的末端)上。
在本例子中，制冷劑槽11用不銹鋼制成，并容納在也用不銹鋼制成的真空容器12中。真空容器12和制冷劑槽11構(gòu)造成在它們之間具有真空絕緣層11b。該制冷劑槽11包括液氮層13和氮氣層14。液氮層13連接到用于冷卻液氮13a的制冷器15上。
在本例子中，為了在液氮13a供給到制冷劑槽11中之前，將制冷劑槽11中的潮氣等去除，制冷劑槽11填滿氮氣。然后，液氮13a供給到液氮層13，并且允許氮氣保留在制冷劑槽11的一部分中，尤其是設(shè)置在低溫側(cè)和室溫側(cè)之間的邊界上的凸緣108的附近。氮氣保留的該部分是氮氣層14。在本例子中，氮氣層14在制冷劑槽11的內(nèi)表面11a和套管10的外周邊之間具有2.5毫米的距離t，以及400毫米的長度。在這種情況下，液氮供給到制冷劑槽11中，以氣密密封制冷劑槽11，從而制冷劑槽11中的液氮的壓力為大約0.5MPa。該構(gòu)造允許由氮氣自身的壓力保持氣態(tài)，并且氮氣14a和液氮13a的相應(yīng)壓力幾乎彼此平衡。
具有上述構(gòu)造的本發(fā)明的超導電纜的終端結(jié)構(gòu)能夠在不過度增大氣態(tài)制冷劑層的長度的情況下，提供從低溫側(cè)朝室溫側(cè)的平緩溫度梯度。這能夠有效地防止通過過度冷卻而由設(shè)置在凸緣中的密封件的硬化導致的密封屬性降低。因此，本發(fā)明的超導電纜能夠在長期使用中保持室溫側(cè)和低溫側(cè)之間的氣密性。而且，由于本發(fā)明的超導電纜的終端結(jié)構(gòu)不需要用于將氣態(tài)制冷劑層中的氣態(tài)制冷劑保持在氣態(tài)的加壓器，所以可以取消加壓設(shè)備，并且可以進一步減小終端結(jié)構(gòu)的尺寸。
測試例子上述實施例1的套管用于改變氮氣層的尺寸(厚度t和長度L)，以檢測設(shè)置在凸緣中的密封件的退化狀況。液氮的壓力根據(jù)厚度t和長度L在0.3至0.5MPa范圍內(nèi)變化。在將其保持在上述狀況下六小時之后，檢查密封件。已經(jīng)顯示，具有0.1至2.5毫米厚度t和300至500毫米長度L的密封件具有足夠的密封性能而幾乎不硬化。還顯示，較小的厚度t和較大的長度L有助于建立溫度梯度。注意到，盡管上述實施例1示出了不循環(huán)制冷劑的構(gòu)造，但是制冷劑是可以循環(huán)的。在這種情況下，優(yōu)選是液氮的壓力根據(jù)厚度t和長度L在0.3至0.5MPa的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而與氮氣的壓力平衡。
實施例2在上述實施例1所示的終端結(jié)構(gòu)中，可以設(shè)置泄漏防止構(gòu)件用于防止液態(tài)制冷劑泄漏到室溫側(cè)。參照圖3和4，下文中將描述具有泄漏防止構(gòu)件的終端結(jié)構(gòu)的例子。
在圖3中所示的例子中，在制冷劑槽11中，可以安裝到圍繞氮氣層14和液氮層13之間的邊界的部分上的環(huán)形構(gòu)件20環(huán)繞上述邊界設(shè)置。本例子中所使用的環(huán)形構(gòu)件20用對液氮具有良好阻力的硅樹脂制成。
在圖4中所示的例子中，在制冷劑槽11中，成形為配合環(huán)繞氮氣層14和液氮層13之間的邊界的塊形構(gòu)件21環(huán)繞上述邊界設(shè)置。本例子中所使用的塊形構(gòu)件21用對液氮具有良好阻力的硅樹脂制成。
通過提供上述泄漏防止構(gòu)件，可以防止液態(tài)制冷劑泄漏到室溫側(cè)，并且可以防止凸緣的密封件由于與液氮接觸而受到冷卻。注意上述泄漏防止構(gòu)件不完全密封液氮層13和氮氣層14之間的空間，但是可以將尺寸確定成使得液氮13a的壓力可以提供到氮氣14a。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)優(yōu)選應(yīng)用于超導電纜的終端部分。
權(quán)利要求
1.一種超導電纜(100)的終端結(jié)構(gòu)，超導電纜的終端構(gòu)件通過套管(10)從低溫側(cè)延伸到室溫側(cè)，其中該終端結(jié)構(gòu)包括低溫側(cè)中的冷卻所述套管的制冷劑槽(11)，所述制冷劑槽(11)包括氣態(tài)制冷劑層(14)和液態(tài)制冷劑層(13)，及在所述氣態(tài)制冷劑層(14)中，制冷劑槽(11)的內(nèi)表面(14a)和套管(10)的外周邊之間的距離尺寸確定成使得在不受到加壓器加壓的情況下保持在氣態(tài)，并且氣態(tài)制冷劑(14a)和液態(tài)制冷劑(13a)的相應(yīng)壓力彼此平衡。
2.如權(quán)利要求1所述的超導電纜的終端結(jié)構(gòu)，還包括用于防止液態(tài)制冷劑(13a)泄漏到室溫側(cè)的泄漏防止構(gòu)件(20，21)。
全文摘要
一種用于超導電纜的終端結(jié)構(gòu)，其中，能夠防止設(shè)置在室溫側(cè)和低溫側(cè)之間的邊界上的密封件的氣密性在長期使用中降低。該終端結(jié)構(gòu)包括超導電纜(100)的終端，用于電纜(100)的超導導體(100a)電傳導的套管(10)，和容納終端和套管(10)的制冷劑槽(11)。在該制冷劑槽(11)中，低溫側(cè)上的液氮層(13)和室溫側(cè)上的氮氣層(14)彼此相鄰布置。在氮氣層(14)中，制冷劑槽(11)的內(nèi)表面(11a)和套管(10)的外周邊之間的距離t設(shè)定成這樣的大小，即氮氣在不受加壓器加壓的情況下保持在氣態(tài)，并且氮氣和液氮的相應(yīng)壓力彼此平衡。
文檔編號H01B12/02GK1954468SQ20058001531
公開日2007年4月25日 申請日期2005年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月15日
發(fā)明者蘆邊佑一, 增田孝人 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社