CN104348129A - 超低温设备的末端装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供超低温设备的末端装置。该超低温设备的末端装置是能够充分地抑制向超导电缆等的超低温设备的热量流入，而且绝缘性能良好，并且能够防止由于热收缩引起的损伤的、结构紧凑的末端装置。套管110包括：导体引出棒111；由环氧树脂构成的绝缘筒112；在长度方向离开间隔地形成有多个皱襞部113a的聚合物覆盖体113；以及由环氧树脂构成的头部117。聚合物覆盖体113配置在常温区域，头部117以及从头部117的下端露出的导体引出棒111配置在真空区域。另外，导体引出棒111的下端部经由配置在真空区域的柔性导体160在超低温区域内与超低温设备侧导体连接。
Description
技术领域
本发明涉及超导电缆等超低温设备的末端装置。
背景技术
超导电缆等超低温设备的末端装置具有一端与超低温设备电连接且另一端引出到常温部的导体引出棒。导体引出棒通常由作为电和热的良导体的铜构成，因此，热量通过该导体引出棒从常温区域流入超低温区域(即，超低温设备)。若由于该热量的流入而使超低温设备的温度与规定温度相比上升了，则超导特性降低。由此，在超低温设备的末端装置中，尽量减小通过该导体引出棒的热量流入是重要的。
例如，专利文献1-3中公开了用于抑制通过导体引出棒的热量流入的结构。
在专利文献1中，公开了在导体引出棒(专利文献1中的引出导体5)的常温区域和超低温区域之间设置有真空或由气体绝缘的温度梯度部的超导电缆的终端连接装置。专利文献1中，利用该温度梯度部以及在温度梯度部的周围配置的固体绝缘体，防止热量通过导体引出棒从常温区域向超低温区域流入。另外，将导体引出棒经过套管(bushing)内从温度梯度部引出到常温区域(大气中)。套管由瓷管、应力锥(stress cone)、屏蔽等构成。在瓷管内填充有绝缘油或SF6(六氟化硫)气体等绝缘流体，由此，将导体引出棒与外部电绝缘。
在专利文献2中，公开了向管状的导体引出棒(专利文献2中的导体2)的管内供给制冷剂，并且，在导体引出棒的周围设置真空的隔热层(专利文献2中的隔热层9)，由此将导体引出棒(导体)周面与常温区域隔热的超低温电缆的末端部的结构。由此，能够使从导体引出棒(导体)向超低温设备(专利文献2中的超低温电缆)的热量流入小。
专利文献3中公开了通过在真空中设置导体引出棒(专利文献3中的引出导体47)的温度梯度部和应力锥整体，从而进一步抑制从外部向超低温区域的热量流入的结构。并且，专利文献3中公开了超低温电缆的终端连接装置的如下结构，即，利用电绝缘性良好的液态氮将导体引出棒(引出导体)和超低温设备(引用文献3中的超导电缆)之间的连接部电绝缘，且将导体引出棒(引出导体)的温度梯度部以在其周围设置了应力锥的状态通过真空进行电绝缘，由此，能够利用紧凑的结构得到稳定的电绝缘性能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-262162号公报
专利文献2：日本实开平2-30232号公报
专利文献3：日本特开平8-196029号公报
发明内容
可是，在专利文献1的超导电缆的终端连接装置中，由于用于形成超低温区域的液态氮等制冷剂的影响，填充在瓷管内的绝缘油或SF6气体等绝缘流体有可能状态变化为固体或液体。若发生了这种状态变化，则绝缘性能降低。例如，在使用SF6气体的情况下，液态氮的温度为77K(-196℃)，SF6的沸点为209K(-64℃)，因此，若SF6气体通过导体而被冷却，则有可能SF6气体液化而绝缘性能降低。因此，必须在液态氮与绝缘油或SF6之间确保某种程度的距离，其结果，存在装置大型化的问题。在专利文献1的情况下，需要通过使在常温区域与超低温区域之间配置的温度梯度部的容器加大，来加大液态氮与瓷管之间的距离，其结果，装置大型化。
另外，在专利文献2的终端连接装置中，由于是应力锥的上半部露出在大气中，下半部位于超低温区域的结构，因此，经过应力锥的热量流入较大，难以使从外部流入的热量充分地减小。另外，由于在应力锥内部的温度差较大，所以有可能在应力锥产生由于热变形引起的裂纹，在电绝缘性方面也存在问题。另外，专利文献2的应力锥是橡胶制，凸缘的锷部埋设在橡胶制的应力锥中。因此，即使将金属制的凸缘固定在筒部，由于橡胶为弹性体，因此，也有可能机械特性不稳定。并且，在专利文献2的终端连接装置中，为了在屋外使用，需要如专利文献1那样另外设置瓷管，导致空气中绝缘部的外径变大。另外，在专利文献2的终端连接装置中，在设置了瓷管的情况下在瓷管内利用绝缘油或SF6气体等绝缘流体进行绝缘时，产生与专利文献1的超导电缆的终端连接装置的情况同样的问题，当将瓷管内利用真空绝缘时，产生与后述的专利文献3同样的问题。另外，如专利文献2的终端连接装置那样，若从常温区域到超低温区域将导体引出棒(专利文献2中的导体2)制成管状并制成制冷剂供给口，则如专利文献2中的第二图那样，用于对热收缩进行吸收的结构变得复杂。
另外，在专利文献3的超低温电缆的终端连接装置中，应力锥不在大气中露出，在瓷管以及真空容器内设置在真空中，因此，可认为与专利文献2相比，能够减小从外部向超低温区域的热量流入。但是，由于应力锥的外周设为真空绝缘，因此，与绝缘油比较，绝缘性能差，因此，与绝缘油的情况相比，需要加长沿面距离。另外，需要在应力锥的外周设置陶瓷制的瓷管。由此，存在末端装置大型化的问题。另外，存在部件件数多，在末端装置组装时也需要时间的问题。
本发明的目的在于，提供能够充分地抑制从常温区域向超导电缆等超低温设备的热量流入，而且绝缘性能良好，并且能够防止热收缩引起的损伤的、结构紧凑的末端装置。
本发明的超低温设备的末端装置的一个形态是，具有跨越真空容器内的真空区域和常温区域而配置的套管，且与超低温设备连接的超低温设备的末端装置，其中，
所述套管包括：
导体引出棒；
绝缘筒，其设置在所述导体引出棒的外周且由环氧树脂构成；
聚合物覆盖体，其由硅橡胶制成，且一体地设置在所述绝缘筒的外周，在其自身的外周沿长度方向隔着间隔形成有多个皱襞部；
屏蔽金属件，其埋设于所述绝缘筒内且具有凸缘部；
头部，其以与所述绝缘筒连续的方式设置，且由所述环氧树脂构成；以及
套管凸缘部，其配置在所述绝缘筒与所述头部之间，
所述聚合物覆盖体配置于常温区域，
所述套管凸缘部气密地固定于所述真空容器，
所述导体引出棒分别从所述绝缘筒的上端和所述头部的下端露出，
所述头部以及从所述头部的下端露出的所述导体引出棒配置于所述真空区域，
所述导体引出棒的下端部经由配置于所述真空区域的柔性导体在超低温区域内与超低温设备侧导体连接。
本发明的超低温设备的末端装置的一个形态是，所述导体引出棒包括：
套管导体，其配置在所述套管的中心，分别从所述绝缘筒的上端和所述头部的下端露出，且下端部与所述柔性导体的上端连接；以及
下部导体，其上端部与所述柔性导体的下端连接，下端部在超低温区域内与超低温设备侧导体连接。
本发明的超低温设备的末端装置的一个形态是，所述超低温设备的末端装置的制冷剂供给口在与所述套管不同的位置从常温区域向超低温区域设置。
本发明的超低温设备的末端装置的一个形态是，所述头部具有在表面形成有导电层的承口(bell mouth)部。
本发明的超低温设备的末端装置的一个形态是，所述屏蔽金属件具有屏蔽金属件凸缘部，
所述套管凸缘部由所述屏蔽金属件凸缘部形成。
本发明的超低温设备的末端装置的一个形态是，
所述超低温设备为超导电缆。
根据本发明，能够实现能够充分地抑制从常温区域向超导电缆等超低温设备的热量流入，而且绝缘性能良好，并且能够防止热收缩引起的损伤的、结构紧凑的末端装置。
附图说明
图1是表示实施方式的超导电缆末端装置的结构的图。
符号说明
100 电缆末端装置
110 套管
110a 套管凸缘部
111 导体引出棒
111a 套管导体
111b 下部导体
112 绝缘筒
113 聚合物覆盖体
114 屏蔽金属件
114a 筒状部
114b 嵌入部
114c 屏蔽金属件凸缘部
117 头部
117a 圆柱状部
117b 圆锥台状部
117c 承口部
118 导电层
120 连接部
121、160 柔性导体
130 液态氮槽
140 真空容器
150 液态氮
180 配管
200 超导电缆
具体实施方式
下面，参照附图对本发明实施方式详细地进行说明。
图1是作为本发明实施方式的超低温设备的末端装置而表示超导电缆末端装置的结构的纵剖面图。作为超低温设备的末端装置的超导电缆末端装置100与作为超低温设备的超导电缆200连接。
超导电缆末端装置100具有套管110、连接部120、液态氮槽130以及真空容器140。
连接部120是将导体引出棒111与超导电缆200电连接的部分。在本实施方式中，连接部120具有用于与导体引出棒111连接的柔性导体121、以及将柔性导体121与超导电缆200的导体电连接的导体连接部122。导体连接部122的结构可以是已知的结构。
通过对液态氮槽130内从配管180注入液态氮150，来储存液态氮150。这样，在本实施方式中，在与套管110不同的位置从常温区域向超低温区域设置作为针对超低温设备的末端装置的制冷剂供给口的配管180。即，不是如专利文献2那样经过导体引出棒内供给制冷剂，而是从套管110以外的位置供给制冷剂。由此，可以不使套管110的结构复杂化。
液态氮槽130容纳导体引出棒111的下端部、连接部120以及超导电缆200的终端部，储存有浸泡这些部分的量的液态氮150。并且，在液态氮槽130的外侧设置有真空容器140。
在此，在本实施方式中，通过柔性导体121将导体引出棒111与超导电缆200连接。具体而言，导体引出棒111包括：配置于套管110的中心，分别从绝缘筒112的上端和头部117的下端露出，且下端部与柔性导体160的上端(连接部160b)连接的套管导体111a；以及上端部与柔性导体160的下端(连接部160c)连接且下端部在超低温区域内通过连接部120与超低温设备侧导体(在此，超导电缆200的导体)连接的下部导体111b。
柔性导体121由平编铜线构成。利用该柔性导体121，即使由于超导电缆200的热收缩使导体连接部122在水平方向(图中的左右方向)移动，也由柔性导体121将其吸收，因此，能够防止损伤固定安装在导体引出棒111(下部导体111b)的绝缘垫片170。
套管110跨越真空容器140内的真空区域与真空容器140外的常温区域而配置。套管110具有套管导体111a、绝缘筒112、聚合物覆盖体113、屏蔽金属件114、和头部117。
套管导体111a配置在绝缘筒112的中心，其上端与端子部T1连接，并且其下端与后述的柔性导体160连接。绝缘筒112设置在导体引出棒111的外周。聚合物覆盖体113设置在绝缘筒112的外周，在其外周部沿着聚合物覆盖体113的长度方向离开间隔地形成有多个皱襞部113a。
在此，绝缘筒112由机械强度较高的环氧树脂形成。聚合物覆盖体113由电绝缘性能优异的材料，例如硅橡胶(硅酮聚合物)等高分子绝缘材料形成。导体引出棒111、绝缘筒112(和后述的头部117)以及聚合物覆盖体113通过铸模一体形成。
由于在绝缘筒112的外周一体地设置有聚合物覆盖体113，因此套管110与以往的陶瓷瓷管相比，重量轻，不容易破损，另外，容易处理，能够大幅度地提高作业性。另外，由于不需要绝缘油或绝缘气体，因此能够实现环境协调。并且，在利用硅橡胶形成聚合物覆盖体113的情况下，利用硅橡胶的疏水性，套管110能够提高污损耐电压特性。
在本实施方式中，套管110具有屏蔽金属件114。屏蔽金属件114设置成与导体引出棒111同心状。屏蔽金属件114具有：以从绝缘筒112只露出外表面的方式埋设于绝缘筒112的筒状部114a；与筒状部114a的上端部连续设置的埋设于绝缘筒112的嵌入部114b；以及从筒状部114a的周面向半径方向外方突出的屏蔽金属件凸缘部114c。
屏蔽金属件114的上端(在此，嵌入部114b的上端)形成为剖面圆弧状，由此，缓和了套管110中的磁场的集中。在屏蔽金属件凸缘部114c设置有多个螺栓孔(未图示)，在屏蔽金属件凸缘部114c的下表面设置有未图示的O形环等密封件。
对于套管110，在绝缘筒112与后述的头部117之间配置有套管凸缘部110a。本实施方式中，套管凸缘部110a由屏蔽金属件凸缘部114c形成。
在本实施方式中，在屏蔽金属件凸缘部114c的螺栓孔插入螺栓(未图示)，而将套管110气密地安装在真空容器140的上表面。由此，由于在利用机械强度比橡胶高的环氧树脂形成的绝缘筒112内埋设有屏蔽金属件114(嵌入部114b)，所以与专利文献2的利用埋设于橡胶制的应力锥的凸缘进行固定的情况相比，能够以在机械上稳定的状态安装套管(聚合物套管)。套管110的比屏蔽金属件凸缘部114c靠上的上侧存在于空气中，比屏蔽金属件凸缘部114c靠下的下侧存在于真空容器140内。
另外，在绝缘筒112与聚合物覆盖体113之间的界面，也可以根据需要以与屏蔽金属件114电接触的方式，以需要的长度形成电场缓和层(未图示)。例如利用在弹性体材料填充氧化锌粉体而成的ZnO层或者填充有碳黑等导电性填料而成的橡胶等相对介电常数为10以上的高介电常数层形成该电场缓和层即可。此外，当在110kV级以上的高电压的末端适用套管110的情况下，能够利用电场缓和层使套管110小，进而，能够使套管110轻量化，因此是有用的。
对于套管110，在比屏蔽金属件凸缘部114c靠下的下侧形成有头部(也可以称为“下部套管部”)117。在将套管110安装在真空容器140的上表面的情况下，头部117配置于真空容器140内。头部117与绝缘筒112连续设置。头部117的主体由与绝缘筒112相同的环氧树脂一体形成，在中心配置有套管导体111a。头部117具有：外径恒定的圆柱状部117a；越靠向下方外径越小的圆锥台状部117b；以及在圆锥台状部117b的上端的圆周上以剖面U字状的凹槽形成的承口部117c。另外，从承口部117c一直到屏蔽金属件凸缘部114c的下表面，形成有通过涂敷银涂料等导电涂料等而形成的导电层118。该导电层118作为头部117的遮蔽层而发挥功能。
另外，温度梯度部(真空区域)中的套管110的遮蔽不是如专利文献2那样利用金属件(专利文献2的凸缘11的下侧锷部)，而是利用在表面具有导电层118的承口部117c形成。由此，由于能够使套管110的头部117的长度方向形成得小，因此能够使套管110小型化，进而，能够使末端装置100小型化。
例如以铜为材料形成导体引出棒111。导体引出棒111中的套管导体111a的一方从绝缘筒112的上端露出，另一方从头部117的下端向真空区域露出。在向真空区域露出的套管导体111a(导体引出棒111)的下端连接有柔性导体160。另外，在柔性导体160的下端连接有下部导体111b，下部导体111b(导体引出棒111)延伸至液态氮槽130内，并与柔性导体121连接。即，导体引出棒111经由柔性导体160延伸至液态氮槽130内。
柔性导体160具有：由平编铜线构成的主体部160a；以及形成在主体部160a的两端的连接部160b、160c。在本实施方式的情况下，柔性导体160和导体引出棒111在此以多向带(multi-ram band)连接方式连接。具体而言，对于形成有环状的凹部的连接部160b、160c，分别嵌装在前端部分形成有导电性的弹簧状接触器(多向带)的导体引出棒111(套管导体111a和下部导体111b)，由此，将导体引出棒111与柔性导体160电连接。在这种情况下，主体部160a和连接部160b、160c分别通过压缩而被连接。此外，将导体引出棒111与柔性导体160连接的方式不限于多向带方式。也可以使用郁金香型接触(tulip contact)方式或其他已知的连接方式。例如，也可以采用以端子彼此进行连接的方式，且在其周围设置屏蔽的结构。
如图1所示，下部导体111b(导体引出棒111)的下端部延伸至到达液态氮槽130内的液态氮150的位置。在液态氮槽130的导体引出棒111的导入口设置有由环氧树脂或FRP(Fiber Reinforced Plastics，纤维增强塑料)构成的绝缘垫片170。绝缘垫片170与下部导体111b(导体引出棒111)的外周以及液态氮槽130的外表面密接而气密液密地固定，由此，利用绝缘垫片170将液态氮槽130与真空容器140隔开。如上所述，通过设置柔性导体121，能够防止超导电缆200的热收缩引起的绝缘垫片170的损伤。
如上所述，根据本实施方式，通过利用不含绝缘油或绝缘气体等绝缘流体的固体绝缘体形成套管110，从而能够采用不考虑由于制冷剂引起的空气中绝缘部中的绝缘流体的状态变化的结构。具体而言，由于利用固体绝缘体形成套管110，因此，套管110的空气中绝缘部中的绝缘流体(绝缘油或SF6气体等绝缘气体)不存在，而不需要如专利文献1那样，在液态氮和绝缘流体之间确保某种程度的距离，因此，能够缩短从套管110到液态氮150的距离，进而，能够使超导电缆末端装置100小型化。
另外，在本实施方式中，在常温区域中，不是如专利文献2那样将应力锥直接露出在大气中的结构，而是适用了具有在电气上稳定的性能的套管110作为空气中绝缘，因此能够实现在电气上性能稳定的超低温末端装置。另外，在本实施方式中，能够将套管110按原样在屋外使用，不需要如专利文献2那样另外设置瓷管。
另外，根据本实施方式，导体引出棒111的下端部经由配置于真空区域的柔性导体160在超低温区域内与超低温设备侧导体连接，因此，即使在导体引出棒111由于超低温区域、真空区域(温度梯度部)以及常温区域的各区域的温度差而在长度方向(图中的上下方向)发生热收缩的情况下，也能够利用柔性导体160对热收缩进行吸收。并且，即使液态氮槽130在水平方向(图中的左右方向)发生热收缩的情况下，也能够利用柔性导体160对热收缩进行吸收。由此，能够防止由于导体引出棒111的长度方向的热收缩引起的套管110以及绝缘垫片170的破损。特别地，由于本实施方式的套管110由固体绝缘体构成，所以若导体引出棒111的热收缩波及到绝缘筒112，则有可能使套管110破损，但是，由于利用柔性导体160吸收了导体引出棒111的长度方向的热收缩，因此能够防止套管110的损伤，对于利用不含绝缘油或绝缘气体等绝缘流体的固体绝缘体形成套管110的结构来说，特别地适宜。
另外，在专利文献1或专利文献3公开的以往的超低温设备的末端装置中，需要在应力锥的外侧套上陶瓷制的瓷管。另外，在专利文献2中，为了在屋外使用，也需要在应力锥的外侧套上陶瓷制的瓷管。但是，根据本实施方式，通过在绝缘筒112的外周一体地形成聚合物覆盖体113而构成套管110，因此不再需要瓷管，与陶瓷制的瓷管相比，减少了部件件数，能够提供电性能稳定的超低温设备的末端装置。另外，以往的瓷管中，在末端装置组装时，需要填充绝缘气体(SF6气体)或绝缘油等绝缘介质，但是，本实施方式中，由于构成为在绝缘筒112的外周一体地形成聚合物覆盖体113，因此不需要绝缘媒体的填充作业，所以能够缩短末端装置的组装时间。另外，不再需要当在以往的瓷管内封装绝缘气体(例如SF6气体)时为了进行使该气体不成为负压的管理所需的附带设备，因此，也能够削减设置超低温末端装置的成本。
此外，在上述的实施方式中，对由屏蔽金属件凸缘部114c形成套管凸缘部110a的情况进行了叙述，但是，也可以采用由绝缘筒112形成套管凸缘部110a，并从外侧利用固定金属件进行固定的结构。另外，设置在套管凸缘部110a与真空容器140之间的O形环等密封件可以设置在套管凸缘部110a侧与真空容器140侧的哪一侧。
另外，在上述的实施方式中，作为真空容器140与液态氮槽130之间的边界，叙述了导体引出棒111(下部导体111b)的下端部气密液密地贯通绝缘垫片170的结构，但是，不限于本实施方式的绝缘垫片170的结构，只要是配置于真空容器140内的导体引出棒111(下部导体111b)的下端部气密液密地进行貫通而配置在液态氮槽130内即可，不对其结构进行限制。
另外，在上述的实施方式中，对将本发明作为超导电缆的末端装置而适用的情况进行了叙述，但是，本发明也能够作为超导电缆以外的超低温设备的末端装置而使用。例如，也可以作为超低温抵抗电缆的末端装置而适用。另外，作为适宜适用本发明的另外的超低温设备，例如有超导磁能储存系统(SMES：superconducting magnetic energy storage system)、超导限流器等。
应该认为，这次公开的实施方式在全部的点为示例而不是限制性的内容。本发明的范围不是上述的说明，而是由权利要求所示，旨在包含与权利要求等同意义以及范围内的全部变更。
在2013年7月30日提出的日本专利申请特愿2013-157576号中包含的说明书、附图以及摘要的公开内容全部引用于本申请。
Claims (6)
1.一种超低温设备的末端装置，具有跨越真空容器内的真空区域和常温区域而配置的套管，且与超低温设备连接，其中，
所述套管包括：
导体引出棒；
绝缘筒，其设置在所述导体引出棒的外周且由环氧树脂构成；
聚合物覆盖体，其由硅橡胶制成，且一体地设置在所述绝缘筒的外周，在其自身的外周沿长度方向隔着间隔形成有多个皱襞部；
屏蔽金属件，其埋设于所述绝缘筒内；
头部，其以与所述绝缘筒连续的方式设置，且由所述环氧树脂构成；以及
套管凸缘部，其配置在所述绝缘筒与所述头部之间，
所述聚合物覆盖体配置于常温区域，
所述套管凸缘部气密地固定于所述真空容器，
所述导体引出棒分别从所述绝缘筒的上端和所述头部的下端露出，
所述头部以及从所述头部的下端露出的所述导体引出棒配置于所述真空区域，
所述导体引出棒的下端部经由配置于所述真空区域的柔性导体在超低温区域内与超低温设备侧导体连接。
2.如权利要求1所述的超低温设备的末端装置，其中，
所述导体引出棒包括：
套管导体，其配置在所述套管的中心，分别从所述绝缘筒的上端和所述头部的下端露出，且下端部与所述柔性导体的上端连接；以及
下部导体，其上端部与所述柔性导体的下端连接，下端部在超低温区域内与超低温设备侧导体连接。
3.如权利要求1或2所述的超低温设备的末端装置，其中，
所述超低温设备的末端装置的制冷剂供给口在与所述套管不同的位置从常温区域向超低温区域设置。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的超低温设备的末端装置，其中，
所述头部具有在表面形成有导电层的承口部。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的超低温设备的末端装置，其中，
所述屏蔽金属件具有屏蔽金属件凸缘部，
所述套管凸缘部由所述屏蔽金属件凸缘部形成。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的超低温设备的末端装置，其中，
所述超低温设备为超导电缆。
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