CN1518009A - 超导电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导电缆，包括：具有超导导体的缆芯；容纳缆芯并作用为冷却剂通道的前进路径的绝热管；和冷却剂返回管，其设置在绝热管中的缆芯旁边，并用作冷却剂通道的返回路径。冷却剂通过形成在绝热管和缆芯/冷却剂返回管之间的空间，以冷却缆芯和冷却剂返回管。已经冷却缆芯等的冷却剂通过冷却剂返回管返回。因此，超导电缆中的冷却剂的热损失可以最小，冷却剂管路所需的空间可被制得很紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导电缆，更具体的是，涉及一种具有中心部分为实心型的缆芯的超导电缆。
背景技术
通常，超导电缆是通过将一根或多根缆芯绞合在一起以提供高容量的缆芯放入绝热管中而形成的(例如，请参见日本待审专利申请公告第9-134624号和日本待审专利申请公告第2001-202837号)。
缆芯包括成形架、超导导体、电绝缘层和屏蔽层，它们以所列举的次序自中心顺序地排列。绝热管是包括内管和外管的双金属管。缆芯容纳在内管中。通常，成形架由管子构成，成形架内的空间以及绝热管和缆芯之间的空间形成冷却剂通道。超导导体通过将超导体电线多股绞合形成多个层而形成，使得超导体电线的螺旋间距和缠绕方向得以调节，从而通过使各个层的阻抗彼此相等，使电流可以均匀流动。屏蔽层采用超导体电线以与超导导体相同的结构形成。
在这种超导电缆中，通过将冷却剂流过成形架中的空间以及内管和缆芯之间的空间而使缆芯冷却。普遍将液氮用作冷却剂。
冷却剂通过冷却系统(如制冷器或热交换器)冷却，以便将长的超导电缆始终维持在低温下。换句话说，冷却剂循环系统构造成使得制冷器所冷却的冷却剂流经成形架，接着流经内管和缆芯之间的间隙，而返回到制冷器中以备再次冷却。
在上述超导电缆中，通过利用由管子制成的成形架内部的空间作为前进路径而缆芯外侧的空间作为返回路径，可以形成冷却剂通道的封闭环。
但是，当金属管用作成形架时，在超导电缆的机械性能方面，如，弯曲性能和侧向压力方面，管子的高抗弯刚度是一个问题。例如为了提高弯曲性能，可用波纹状金属管作为成形架。但是，由于超导体电线围绕成形架缠绕，因此必须添加用于使波纹状金属管外面平整的结构，由此使结构复杂化。此外，用于将成形架中的冷却剂前进路径与缆芯外侧的冷却剂返回路径连接起来的结构变得复杂。
为了提高机械性能，已有提议例如用绞合金属线形成的实心成形架来代替管子。将绞合金属线用于成形架的结构对于抑制由短路电流引起的温度升高是有效的。
当使用这种实心成形架时，在成形架中不能形成冷却剂通道。因此，所构想的结构是，绝热管的一端设置有冷却剂进入管，用于将冷却剂提供至内管和缆芯之间的空间中；而绝热管的另一端设置有冷却剂排出管，用于将冷却剂从内管中去掉。这种情况下，冷却剂循环系统通过将冷却剂排出管经由制冷器连接到冷却剂进入管而形成。
在这种冷却剂循环系统中，流经冷却剂排出管或冷却剂进入管的冷却剂遭受由于与绝热管外侧的环境空气热交换而导致的热损失。因此，制冷器的制冷能力必须提高。特别是，当制冷器设置在绝热管的冷却剂入口部分附近时，需要将冷却剂排出管设置在从绝热管的一端到另一端的长度上。因此，排出管变长，由此相应地增加了热损失，而且必需提供宽广空间用于设置排出管。
发明内容
本发明的目的是提供一种超导电缆，其中冷却剂的热损失可以最小，并且使配置冷却剂管路所需的空间缩小。
为此，本发明的超导电缆包括：具有超导导体的至少一个缆芯；绝热管，该绝热管容纳缆芯，而且其中形成冷却剂通道的前进路径；以及冷却剂返回管，其设置在绝热管中的缆芯旁边，并用作冷却剂通道的返回路径。
在本发明中，因为已经流入冷却剂返回管的冷却剂可被绝热管中的冷却剂冷却直到已经流入冷却剂返回管的冷却剂流出绝热管为止，因此可以降低流经冷却剂返回管的冷却剂的热损失。
本发明的冷却剂返回管可以是在纵向上具有相同直径的金属管或者是波纹状金属管。当冷却剂返回管是波纹状金属管时，用于弯曲冷却剂返回管的力的大小可以减小，从而防止对缆芯的机械损害。此外，由于超导电缆的抗弯刚度的增加可被减缓，所以可以防止电缆的机械性能(如，弯曲性能和侧向压力)的下降。
在本发明的超导电缆中，优选地是，将冷却剂提供到绝热管内的冷却剂通道中的冷却剂入口设置在绝热管的一端；靠近冷却剂入口，冷却剂返回管的一端向绝热管的外侧打开；而冷却剂返回管的另一端与绝热管的另一端连接，以便连通至绝热管的内侧。
由于冷却剂返回管向绝热管的外侧打开的位置靠近冷却剂入口，所以可以使管子自冷却剂流出绝热管的位置到冷却剂返回至制冷器的位置的长度最小。结果，不仅可以使绝热管外侧引起的冷却剂的热损失最小，而且可以使用于在绝热管附近的配置管路的空间最小。
归因于冷却剂通道的前进路径和返回路径之间的边界形成在作为电缆主体的绝热管中，由于将要设置在绝热管外侧的冷却剂管路的部分可以减少，因此可以降低冷却剂在其回收时引起的冷却剂的热损失。
本发明的超导电缆可以具有这样结构，即，用于向冷却剂通道提供冷却剂的冷却剂入口设置在绝热管的一端，而用于从绝热管中取出冷却剂的冷却剂出口设置在绝热管的另一端。在这种结构中，靠近冷却剂入口，冷却剂返回管的一端向绝热管的外侧打开，而冷却剂返回管的另一端向位于绝热管另一端的绝热管的外侧打开，并且冷却剂出口和冷却剂返回管的另一端相连接而彼此连通。
在这种情况下，如果管路连接到冷却剂出口和冷却剂返回管另一端的开口上，则不仅可以经由管路连接冷却剂出口和冷却剂返回管，而且还可以经由管路连接到或转换到设置在超导电缆旁边的另一个类似的超导电缆上。
在用于取出绝热管中的冷却剂的冷却剂出口设置在绝热管的另一端的情况下，冷却剂返回管的另一端从绝热管的另一端向绝热管的外侧打开，冷却剂返回管可以容纳在绝热管中。由此，可以减少在冷却剂返回管中流动的冷却剂的热损失。
附图说明
图1是本发明实施例的超导电缆的剖视图；
图2是示出本发明实施例的超导电缆的冷却剂循环系统的图解；
图3是示出本发明另一个实施例的超导电缆的冷却循环系统的图解；
具体实施方式
下文中，将描述本发明的实施例。本发明的超导电缆可以用作交流电(AC)超导电缆或直流电(DC)超导电缆。AC超导电缆线和DC超导电缆线均可以利用本发明的超导电缆形成。
本发明所用的缆芯自中心开始顺序地包括，例如，成形架、超导导体和电绝缘层。
尽管成形架可以为利用多股绞合在一起的金属线的实心型或者可以为利用金属管的空心型，但是本发明适用于实心成形架。
当成形架是实心型时，考虑到电缆的机械性能，可以使用绞合的金属线，例如绞合的铜线。当使用金属线时，理想的是使金属线绝缘，以便降低涡流损耗。
适合的是，超导导体是通过将超导带螺旋缠绕在成形架上而形成的。例如，超导带由覆盖有银铠装的氧化物高温超导体制成，诸如铋(Bi)基的超导体。优选的是，这种超导带缠绕成一组偶数的层，两个相邻层的缠绕方向是相反方向。在此，对于每对具有不同缠绕方向的超导带或者对于超导带的每个层来说，缠绕间距应该是相同的。由于这种导体结构，可以消除泄漏至外部的轴向上的磁场。
电绝缘层可以由任何种类的公知的绝缘材料制成。电绝缘层可以为这样的结构，例如，其中由聚丙烯制成的绝缘纸用液氮浸湿。
在本发明的电缆中，用于磁场屏蔽的屏蔽层可以设置在每根缆芯上。当本发明的电缆用作AC超导电缆时，屏蔽层可以通过屏蔽泄露到超导导体外周边的磁通量而降低超导体电线的AC损耗。
可以使用单根缆芯或者三根绞合的缆芯。当使用三根绞合的缆芯时，通过例如将绞合的缆芯设置成蛇状形式，或者以松散的方式绞合缆芯，或者通过在缆芯之间设置间隔件，使热收缩得以吸收。
优选的是，绝热管具有包括例如波纹状的SUS内管和外管的双管结构，内、外管之间的空间保持在真空状态。
冷却剂返回管设置在绝热管中，在和缆芯的纵向相同的方向上延伸。冷却剂返回管设置在绝热管中是由冷却剂返回管的内径、冷却剂返回管的数量、以及冷却剂的流量之间的关系确定的。
例如，当使用单根缆芯时，一个冷却剂返回管可以设置在绝热管中的单根缆芯旁边。当使用三根绞合的缆芯时，多个冷却剂返回管(例如，三个)可以设置在三根缆芯的旁边。但是，考虑到经济效益，理想的是使用一根横截面如图1所示的冷却剂返回管。
冷却剂穿过绝热管和缆芯/冷却剂返回管之间形成的空间，即，围绕绝热管中的缆芯和冷却剂返回管，并冷却缆芯和冷却剂返回管。已经冷却缆芯和冷却剂返回管的冷却剂通过冷却剂返回管返回。换句话说，在本发明中，绝热管和缆芯/冷却剂返回管之间的空间是冷却剂通道的前进路径，而冷却剂返回管中的空间是冷却剂通道的返回路径。
冷却剂循环系统可以这样形成，使得已经通过冷却剂返回管返回的冷却剂通过设置在超导电缆外侧的热交换器或者制冷器再次冷却，接着，再次冷却的冷却剂流入绝热管中。
下文中，将更加详细地描述本发明。附图中，相应的部件被赋予相同的附图标记，而且相应部件的说明不再重复。附图中的尺寸比例不必和说明书中的相同。图1是本发明实施例的超导电缆的剖视图。
[总体结构]
在电缆中，三根绞合的缆芯2容纳在绝热管1中。冷却剂返回管3也容纳在绝热管1中。
[绝热管]
绝热管1包括具有内管11和外管12的双管。真空隔热层13形成在内管11和外管12之间。由彼此叠置的塑料网状件和金属箔构成的所谓的超绝缘体设置在真空隔热层13中。
形成在内管11的内侧和缆芯2/冷却剂返回管3之间的空间是例如液氮冷却剂通道的前进路径。冷却剂返回管3是冷却剂通道的返回路径。如果需要，则例如由聚氯乙烯制成的抗腐蚀层14可以围绕着绝热管1形成。
<冷却剂通道>
如图2所示，用于向绝热管1和缆芯2/冷却剂返回管3之间形成的空间提供冷却剂的冷却剂入口15设置在绝热管1中。在该实施例中，冷却剂入口15设置在绝热管1的一端。冷却剂通道的前进路径形成在内管11中，从而冷却剂从冷却剂入口15供给至绝热管1的内管11中。
如图1和2所示，冷却剂返回管3单独地设置在缆芯2旁边，并且容纳在位于绝热管1的内管11之内的缆芯2的纵向上。冷却剂返回管3是波纹状金属管。
靠近冷却剂入口15，冷却剂返回管3的一端向着绝热管1的外侧打开。如图2所示冷却剂返回管3的另一端在远离绝热管1的冷却剂入口15的绝热管1的另一端处向绝热管1的内管11中开口。在图2所示的实施例中，已经冷却缆芯2的冷却剂从冷却剂返回管3的另一端处的开口返回。
在本发明的超导电缆中，形成在绝热管1和缆芯2/冷却剂返回管3之间的空间是冷却剂通道的前进路径。冷却剂返回管3中的空间是冷却剂通道的返回路径。冷却剂从绝热管1处的冷却剂入口15穿过形成在内管11和缆芯2/冷却剂返回管3之间的空间，从而冷却缆芯2和冷却剂返回管3。
在图2所示的实施例中，由于冷却剂通道的前进路径和返回路径之间的边界可以形成在绝热管1中，所以可以形成冷却剂通道的返回路径，而不用将冷却剂管路设置在绝热管1外侧。因而，可以减少设置在绝热管外侧的冷却剂管路，从而降低返回的冷却剂的热损失。
此外，由于冷却剂返回管3是波纹状金属管，所以用于弯曲冷却剂返回管3的力可以减小，从而可以防止对缆芯2的机械损害。
尽管在图2中，冷却剂返回管3的另一端开口到绝热管1中，但是超导电缆可以如图3所示形成。在图3所示的超导电缆中，冷却剂入口15设置在绝热管1的一端，而用于将冷却剂从绝热管1中取出的冷却剂出口16设置在绝热管1的另一端，使得冷却剂返回管3的另一端从该处向外侧打开。
在这种情况下，如果冷却剂管路50连接到冷却剂返回管3的另一端的开口和冷却剂出口16上，则不仅可以经由管路50连接冷却剂出口16和冷却剂返回管3，而且可以经由冷却剂管路50连接到或者转换到另一个类似的超导电缆上。
此外，在图2所示的实施例中，冷却剂循环系统4形成为使得冷却剂被提供到超导电缆的绝热管1中，自冷却剂返回管3返回，并被冷却。
<冷却剂循环系统>
冷却剂循环系统4包括形成在绝热管1中的冷却剂前进路径、冷却剂返回管3、第一冷却剂管路51、第二冷却剂管路52、制冷器53、储池54和泵55。
第一冷却剂管路51的一端连接到设置在绝热管1的冷却剂入口15上。第二冷却剂管路52的一端连接到冷却剂返回管3上。第一冷却剂管路51的另一端连接到制冷器53上。第二冷却剂管路52的另一端连接到储池54上。泵55设置在储池54中。储池54中的冷却剂由泵55送至制冷器53。
当泵55启动时，由制冷器53冷却的冷却剂通过第一冷却剂管路51，从冷却剂入口15流入绝热管1中，接着，流经冷却剂返回管3和第二冷却剂管路52，而返回到储池54中，以由制冷器53再冷却。
在图2所示的实施例中，已经流入冷却剂返回管3的冷却剂由绝热管1中的冷却剂冷却，直到冷却剂返回管3中的冷却剂流到绝热管1的外侧为止。
由于冷却剂返回管3打开至绝热管1的外侧的位置靠近冷却剂入口15，所以可以使第二冷却剂管路52从冷却剂返回管3的开口至储池54的长度最短。结果，在冷却剂循环系统4中，可以使绝热管1外侧的冷却剂的热损失最小，并且不需要用于在绝热管1外侧配置管路的大空间。
[缆芯]
如图1所示，容纳在绝热管1中的每根缆芯2自中心顺序地包括成形架21、超导导体22、电绝缘层23和屏蔽层24。
<成形架>
成形架21可以是由绞合金属线制成的实心型，或者是采用金属管制成的空心型。当成形架是空心型时，冷却剂通道可以形成在其中。但是，考虑到电缆的机械性能，实心型的成形架是理想的。实心成形架的示例包括绞合在一起的铜线。理想的是将每根铜线绝缘，以便降低涡流损耗。
<超导导体>
适用于超导导体22的材料是覆盖有银铠装的氧化物高温超导带，例如铋基的半导体。这种带子围绕成形架21缠绕成多个层，以形成导体。理想的是，超导体丝缠绕成偶数个层，而且两个相邻层的缠绕方向是相反方向。采用这种层化的结构，可以减少泄漏到外部的磁通量。理想的是螺旋间距和缠绕方向应该这样调节，使得通过将超导体丝的各层的阻抗彼此相等而使电流均匀流动。
<电绝缘层>
电绝缘层23围绕着超导导体22形成。电绝缘层23通过围绕超导导体22缠绕由例如牛皮纸或者聚丙烯PPLP(Sumitomo电子工业有限公司的注册商标)制成的绝缘纸而形成。
<屏蔽层>
当超导电缆是AC超导电缆时，用于磁屏蔽的屏蔽层24围绕电绝缘层23设置。屏蔽层24通过将超导体电线围绕电绝缘层23的外周边缠绕而形成。产生到外侧的磁场可被取消，这是因为屏蔽层24中感应的电流在与超导导体22中的电流相反的方向上流动，而且和超导导体22中的电流量相同。
[绞合缆芯结构]
在本发明的一个实施例中，使用了三根绞合的缆芯。通过(例如)将绞合的缆芯2以蛇状形式设置在绝热管1中，或者以松散的方式多股绞合缆芯2，或者在缆芯2之间设置间隔件，热收缩可被吸收。
日本待审专利申请公告第1-309212号公开的技术可以应用以将绞合缆芯2布置成蛇状形式。例如，蛇状形式的布置可以这样实现，即通过在绝热管中形成凸起，使得插入到绝热管中的绞合缆芯可以以蛇状形式容纳在其中。
Claims (6)
1.一种超导电缆，包括：
具有超导导体的缆芯；
容纳缆芯的绝热管，冷却剂通道的前进路径形成在绝热管中；和
冷却剂返回管，其设置在绝热管中的缆芯旁边，并用作冷却剂通道的返回路径。
2.如权利要求1所述的超导电缆，其中冷却剂返回管是波纹状金属管。
3.如权利要求1所述的超导电缆，其中用于将冷却剂提供到绝热管中的冷却剂入口设置在绝热管的一端；靠近冷却剂入口，冷却剂返回管的一端向绝热管的外侧打开；并且在绝热管的另一端，冷却剂返回管的另一端连通到绝热管的内侧。
4.如权利要求2所述的超导电缆，其中用于将冷却剂提供到绝热管中的冷却剂入口设置在绝热管的一端；靠近冷却剂入口，冷却剂返回管的一端向绝热管的外侧打开；并且在绝热管的另一端，冷却剂返回管的另一端连通到绝热管的内侧。
5.如权利要求1所述的超导电缆，其中用于将冷却剂提供到冷却剂通道中的冷却剂入口设置在绝热管的一端，而用于将冷却剂从绝热管内部取出的冷却剂出口设置在绝热管的另一端；并且其中靠近冷却剂入口，冷却剂返回管的一端向绝热管的外侧打开，而在绝热管的另一端，冷却剂返回管的另一端向绝热管的外侧打开，从而冷却剂出口和冷却剂返回管的另一端相连接而彼此连通。
6.如权利要求2所述的超导电缆，其中用于将冷却剂提供到冷却剂通道中的冷却剂入口设置在绝热管的一端，而用于将冷却剂从绝热管内部取出的冷却剂出口设置在绝热管的另一端；并且其中靠近冷却剂入口，冷却剂返回管的一端向绝热管的外侧打开，而在绝热管的另一端，冷却剂返回管的另一端向绝热管的外侧打开，从而冷却剂出口和冷却剂返回管的另一端相连接而彼此连通。
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