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Abstract

一种用于超导电缆的终端结构，其中，能够防止设置在室温侧和低温侧之间的边界上的密封件的气密性在长期使用中降低。该终端结构包括超导电缆(100)的终端，用于电缆(100)的超导导体(100a)电传导的套管(10)，和容纳终端和套管(10)的制冷剂槽(11)。在该制冷剂槽(11)中，低温侧上的液氮层(13)和室温侧上的氮气层(14)彼此相邻布置。在氮气层(14)中，制冷剂槽(11)的内表面(11a)和套管(10)的外周边之间的距离t设定成这样的大小，即：氮气在不受加压器加压的情况下保持在气态，并且氮气和液氮的相应压力彼此平衡。

Description

超导电缆的终端结构
技术领域
本发明涉及一种超导电缆的终端结构，其中超导电缆的终端构件通过套管从低温侧延伸到室温侧。尤其是，本发明涉及一种超导电缆的终端结构，它能够在延长的时间段保持放置在低温侧和室温侧之间的凸缘的气密性。
背景技术
通常，例如图5中所示结构已知为超导电缆的终端结构(参见专利文献1)。该终端结构包括超导电缆100的终端，容纳该终端的制冷剂槽101，提供从电缆100的超导导体100a到室温侧的电传导的套管102，覆盖制冷剂槽的外周边的真空容器103，从真空容器103的室温侧突出的瓷管104。
套管102在其中央具有导体102a，该导体经过接头105电连接到超导导体100a上，并且围绕该导体覆盖有固态绝缘体102b，如乙烯丙烯橡胶，并从真空容器103到瓷管104被容纳。注意的是，在图5中所示的例子中，压力锥102c分别设置在套管102的两端附近的固态绝缘体102b的外周边上。
瓷管104填满绝缘流体104a，如绝缘油和SF6气体。制冷剂槽包括填满液态制冷剂101(如从供料管106供给的液氮)的液态制冷剂层101b，和填满气态制冷剂101c的气态制冷剂层101d，该气态制冷剂如图5中液态制冷剂层101b上的层中的氦气和氮气。气态制冷剂101c可以通过排放管107排放。气态制冷剂101c也保持由加压器(未示出)加压的状态下，从而液态制冷剂101a不会上升到室温侧。
低温侧的真空容器103和室温侧的瓷管104由凸缘108分开。该凸缘108通常设置有密封件109，以保持气密性，从而防止气态制冷剂层101d的气态制冷剂101c进入室温侧中的瓷管104。
专利文献1：日本专利公开No.2002-238144(图3)
发明内容
然而，上述传统终端结构具有一问题，其中长期使用可能导致凸缘的密封件受到制冷剂冷却而硬化，从而降低其密封性能，将气态制冷剂泄漏到室温侧，换句话说，可能无法保持气密性。
于是，本发明的主要目的是提供一种超导电缆的终端结构，它能够在长期使用中防止设置在室温侧和低温侧之间的边界上的密封件的气密性退化。
通过限定气态制冷剂层的尺寸，本发明实现了上述目的.尤其是，本发明是超导电缆的终端结构，该超导电缆的终端构件通过套管从低温侧延伸到室温侧，其中该终端结构包括低温侧中的冷却所述套管的制冷剂槽，所述制冷剂槽包括气态制冷剂层和液态制冷剂层，及在所述气态制冷剂层中，制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的距离尺寸确定成使得气态制冷剂在不受到加压器加压的情况下保持在气态，并且气态制冷剂和液态制冷剂的相应压力彼此平衡，在所述气态制冷剂层中，所述气态制冷剂保留在所述制冷剂槽的内表面和所述套管的外周边之间；
在液氮用作液态制冷剂的情况下，所述液态制冷剂层中的液态制冷剂的压力在0.3到0.5MPa的范围内；
所述制冷剂槽的内表面与所述套管的外周边之间的距离在0.1到2.5mm的范围内；以及
所述气态制冷剂层的长度在300到500毫米的范围内。
由此在气态制冷剂层中，制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的距离尺寸确定成使得，在不由加压器加压的情况下，保持气态，并且气态制冷剂和液态制冷剂的相应压力之间彼此平衡。
传统上，在气态制冷剂层中，制冷剂槽的内表面和套管的外周边较宽地间隔开，如图5中所示，从而确保足够的绝缘距离，并且在室温侧和低温侧之间的边界上设置的凸缘附近也较宽地间隔开。尤其是，例如，如果套管直径大致为150毫米，则凸缘附近的制冷剂槽的宽度(内表面之间的距离)大致为400毫米，也就是，制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的距离大致为125毫米。
然而，本发明的发明人已经发现，凸缘附近的制冷剂槽的宽度(制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的距离)非常宽，从而无法建立从低温侧到室温侧的平缓温度梯度，并且设置在凸缘中的密封件受到气态制冷剂和进入的液态制冷剂冷却，于是硬化而降低气密性。为了建立平缓的温度梯度，可以延长在从气态制冷剂层的低温侧朝室温侧方向上的长度。然而，长度的这种延长导致了制冷剂槽和真空容器的尺寸增大，从而导致终端结构尺寸增大。因此，本发明不通过在从气态制冷剂层的低温侧朝室温侧方向上延长长度，而是通过减小尤其是凸缘附近的制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的距离，实现了更加紧凑的构造。
另外，制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的减小的距离有助于气态制冷剂的压力增加。因此，通过适当调节气态制冷剂层的尺寸，气态制冷剂可以在不像常规情况中那样受到加压器加压的情况下保持在气态。于是，在不需要另外提供加压器的情况下，可以将终端结构制作得更加紧凑。
根据本发明，套管包括能够提供与超导电缆的超导导体的电传导的导体，和覆盖该导体的外周边的固态绝缘体。套管的该导体可以由导电材料制成，如像铜和铝(在77K具有ρ＝2×10-7Ω·cm的电阻率)那样的金属，它们即使在超导电缆使用的制冷剂温度附近也具有较低的电阻，例如当将液氮用作制冷剂时，为液氮的温度。固态绝缘体可以是绝缘树脂，例如如乙烯丙烯橡胶之类的绝缘橡胶材料，最好是纤维加强塑料(FRP)，由于其绝缘性能如此高，使得气态制冷剂层的宽度(制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的距离)可以较窄。尤其是，制冷剂槽最好用如不锈钢之类的金属制成，并且使用固态绝缘体，该固态绝缘体构造成包括FRP构件，该FRP构件使其最外层覆盖有如不锈钢之类的金属，以允许制冷剂槽和套管的相应的相对表面是金属的。因此，所谓的销钉(bayonet)结构得到应用，并且可以使气态制冷剂层的宽度较窄。
优选地是制冷剂槽设置在具有真空隔热层的真空容器中，该制冷剂槽优选还由具有良好强度的金属制成，如不锈钢。该构造可以类似于传统真空容器和制冷剂槽。
关于气态制冷剂层的尺寸，制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的距离尺寸确定成使得，在不受加压器加压的情况下保持气态，并且气态制冷剂和液态制冷剂的相应压力彼此平衡.因此，可以根据液态制冷剂的压力和进入热量的量等进行调节.例如，如果液氮用作液态制冷剂，并且压力为大约0.3至0.5MPa，则制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的距离可以是大约0.1至2.5毫米，并且气态制冷剂层的长度(从低温侧朝室温侧的方向上的距离)可以是大约300至500毫米.气态制冷剂层的减小的长度增大了制冷剂槽的内表面和套管的外周边之间的距离.因此，优选是对长度和距离进行选择，从而提供期望尺寸的终端结构.
关于气态制冷剂和液态制冷剂供给到制冷剂槽中，优选是例如首先将气态制冷剂供给到制冷剂槽中，然后将液态制冷剂供给到其中，从而平衡气态制冷剂和液态制冷剂的相应压力。然后，优选是将制冷剂槽气密密封，以保持压力平衡，从而在不需要由加压器加压的情况下将气态制冷剂保持在加压状态。在这种情况下，优选是液态制冷剂由制冷器冷却，从而可以保持在适当的温度下。液态制冷剂也可以进行循环，用于冷却。尽管液态制冷剂的移动或多或少可能导致液面水平变化，但是可以调节液态制冷剂的压力，以平衡气态制冷剂和液态制冷剂的相应压力，从而保持其平衡状态。
用于气态制冷剂层和液态制冷剂层的制冷剂可以是相同类型或不同类型。例如，氮气和氦气等可以用作气态制冷剂层的制冷剂，并且例如液氮可以用作液态制冷剂层的制冷剂。
根据本发明，气态制冷剂层的气态制冷剂处于加压状态。因此，液态制冷剂压靠低温侧，以防止液态制冷剂泄漏到室温侧。优选是另外设置泄漏防止构件，从而可以更加有效地防止液态制冷剂的泄漏。泄漏防止构件的形状可以是能够限制液态制冷剂泄漏到室温侧的任何形状。例如，泄漏防止构件可以具有环形，它可以配装到套管的外周边上，以允许套管从中通过。另外，泄漏防止构件可以具有可配装到制冷剂槽中气态制冷剂层和液态制冷剂层之间的边界处并围绕该边界的形状。泄漏防止构件的材料可以是橡胶基树脂材料，如乙烯丙烯橡胶，并且由于对如液氮之类的制冷剂的良好流阻，所以优选是硅基树脂材料。
在本发明的终端结构中，上述气态制冷剂层的具体尺寸能够在不过度增大气态制冷剂层的长度的情况下，提供从低温侧到室温侧的平缓温度梯度。于是，尽管已经存在由于由气态制冷剂冷却密封件所导致的凸缘密封件硬化而密封性能降低的问题，但是可以防止该问题。因此，本发明的终端结构能够限制长期使用中凸缘的密封件的气密性降低，以实现防止气态制冷剂泄漏到室温侧。
而且，在本发明的终端结构中，液态制冷剂可以压靠低温侧，以防止由于气态制冷剂层中气态制冷剂在不使用加压器的情况下通过自身处于加压状态而升高到室温侧中。因此，保持了气态制冷剂层的温度梯度，从而可以防止凸缘的密封件的密封性能的降低。
另外，在本发明的终端结构中，气态制冷剂在不使用加压器的情况下处于加压状态。因此，可以消除气态制冷剂层的加压器，并且可以减少部件的数量。
附图说明
图1是本发明的超导电缆的终端结构的示意图；
图2是图1中区域II的部分放大图；
图3是凸缘及带有环形构件的附近的放大视图，它是在本发明的超导电缆的终端结构中具有泄漏防止构件的例子；
图4是凸缘及带有块形构件的附近的放大视图，它是在本发明的超导电缆的终端结构中具有泄漏防止构件的例子；
图5是传统超导电缆的终端结构的示意图。
10套管，10a导体，10b固态绝缘体，10c上罩，11制冷剂层，11a内表面，11b真空绝缘层，12真空容器，13液氮层，13a液氮，14氮气层，14a氮气，15制冷器，20环形构件，21块形构件，100超导电缆，100a超导导体，100b，105接头，101a液态制冷剂，101b液态制冷剂层，101c气态制冷剂，101d气态制冷剂层，102套管，102a导体，102b固态绝缘体，102c压力锥，103真空容器，104瓷管，106供料管，107排放管，108凸缘，109密封件
具体实施方式
下文中将描述本发明的实施例。
下面描述本发明的第一实施例。
参照图1和2，描述了本发明的超导电缆的终端结构。注意的是，在图中相同的附图标记表示相同部件。该终端结构在其基本结构上类似于图5中所示传统超导电缆的结构。换句话说，该终端结构包括：超导电缆100的终端；套管10，该套管连接到电缆100的超导导体100a上，以提供从低温侧到室温侧的电传导；容纳电缆100的终端和套管10的制冷剂槽11；覆盖制冷剂槽11的外周边的真空容器12；和从真空容器12的室温侧突出的瓷管104。制冷剂槽11包括其低温侧中的液氮层(液态制冷剂层)，和其室温侧中的氮气层(气态制冷剂层)14，该液氮层和氮气层彼此相邻。凸缘108放置在低温侧和室温侧之间，并且在凸缘108中，密封件109设置在与套管10的外周边的边界上，以提供气密性。
本发明的特征在于，氮气层14的尺寸，具体的说在于制冷剂槽11的内表面11a和套管10的外周边之间的距离t尺寸确定成使得氮气在不受加压器加压的情况下保持在气态，并且氮气的压力和液氮的压力彼此平衡。每个构造将详细描述如下。
本例子中使用的套管10(直径140毫米)包括能够提供与超导电缆100的超导导体100a电传导的导体10a(直径为40毫米)，和覆盖导体10a的外周边的固态绝缘体10b(厚度为50毫米)。超导导体100a和套管10的导体10a经过接头100b连接。本例子中使用的导体10a由在液氮温度附近的温度下具有低电阻的铜制成。固态绝缘体10b用具有良好绝缘性的FRP制成。而且，在本例子中，用铜制成的上罩10c设置在图1中套管10的上端(设置在室温侧中的末端)上。
在本例子中，制冷剂槽11用不锈钢制成，并容纳在也用不锈钢制成的真空容器12中。真空容器12和制冷剂槽11构造成在它们之间具有真空绝缘层11b。该制冷剂槽11包括液氮层13和氮气层14。液氮层13连接到用于冷却液氮13a的制冷器15上。
在本例子中，为了在液氮13a供给到制冷剂槽11中之前，将制冷剂槽11中的潮气等去除，制冷剂槽11填满氮气.然后，液氮13a供给到液氮层13，并且允许氮气保留在制冷剂槽11的一部分中，尤其是设置在低温侧和室温侧之间的边界上的凸缘108的附近.氮气保留的该部分是氮气层14.在本例子中，氮气层14在制冷剂槽11的内表面11a和套管10的外周边之间具有2.5毫米的距离t，以及400毫米的长度.在这种情况下，液氮供给到制冷剂槽11中，以气密密封制冷剂槽11，从而制冷剂槽11中的液氮的压力为大约0.5MPa.该构造允许由氮气自身的压力保持气态，并且氮气14a和液氮13a的相应压力几乎彼此平衡.
具有上述构造的本发明的超导电缆的终端结构能够在不过度增大气态制冷剂层的长度的情况下，提供从低温侧朝室温侧的平缓温度梯度。这能够有效地防止通过过度冷却而由设置在凸缘中的密封件的硬化导致的密封属性降低。因此，本发明的超导电缆能够在长期使用中保持室温侧和低温侧之间的气密性。而且，由于本发明的超导电缆的终端结构不需要用于将气态制冷剂层中的气态制冷剂保持在气态的加压器，所以可以取消加压设备，并且可以进一步减小终端结构的尺寸。
为了证明本发明的效果，下面描述测试例子。
上述实施例1的套管用于改变氮气层的尺寸(厚度t和长度L)，以检测设置在凸缘中的密封件的退化状况。液氮的压力根据距离t和长度L在0.3至0.5MPa范围内变化。在将其保持在上述状况下六小时之后，检查密封件。已经显示，具有0.1至2.5毫米厚度t和300至500毫米长度L的密封件具有足够的密封性能而几乎不硬化。还显示，较小的距离t和较大的长度L有助于建立温度梯度。注意到，尽管上述实施例1示出了不循环制冷剂的构造，但是制冷剂是可以循环的。在这种情况下，优选是液氮的压力根据距离t和长度L在0.3至0.5MPa的范围内调节，从而与氮气的压力平衡。
下面描述本发明的第二实施例。
在上述实施例1所示的终端结构中，可以设置泄漏防止构件用于防止液态制冷剂泄漏到室温侧。参照图3和4，下文中将描述具有泄漏防止构件的终端结构的例子。
在图3中所示的例子中，在制冷剂槽11中，可以安装到围绕氮气层14和液氮层13之间的边界的部分上的环形构件20环绕上述边界设置。本例子中所使用的环形构件20用对液氮具有良好阻力的硅树脂制成。
在图4中所示的例子中，在制冷剂槽11中，成形为配合环绕氮气层14和液氮层13之间的边界的块形构件21环绕上述边界设置。本例子中所使用的块形构件21用对液氮具有良好阻力的硅树脂制成。
通过提供上述泄漏防止构件，可以防止液态制冷剂泄漏到室温侧，并且可以防止凸缘的密封件由于与液氮接触而受到冷却。注意上述泄漏防止构件不完全密封液氮层13和氮气层14之间的空间，但是可以将尺寸确定成使得液氮13a的压力可以提供到氮气14a。
本发明的终端结构优选应用于超导电缆的终端部分。

Claims (2)

1.一种超导电缆(100)的终端结构，超导电缆的终端构件通过套管(10)从低温侧延伸到室温侧，其中
该终端结构包括低温侧中的冷却所述套管的制冷剂槽(11)，
所述制冷剂槽(11)包括气态制冷剂层(14)和液态制冷剂层(13)，及
在所述气态制冷剂层(14)中，制冷剂槽(11)的内表面(11a)和套管(10)的外周边之间的距离尺寸确定成使得气态制冷剂在不受到加压器加压的情况下保持在气态，并且气态制冷剂(14a)和液态制冷剂(13a)的相应压力彼此平衡，
在所述气态制冷剂层(14)中，所述气态制冷剂保留在所述制冷剂槽(11)的内表面(11a)和所述套管的外周边之间；
在液氮用作液态制冷剂的情况下，所述液态制冷剂层中的液态制冷剂的压力在0.3到0.5MPa的范围内；
所述制冷剂槽的内表面与所述套管的外周边之间的距离(t)在0.1到2.5mm的范围内；以及
所述气态制冷剂层的长度(L)在300到500毫米的范围内。
2.如权利要求1所述的超导电缆的终端结构，还包括用于防止液态制冷剂(13a)泄漏到室温侧的泄漏防止构件(20，21)。
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