JP2005033964A - 極低温ケーブルの終端接続部 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、引出し導体の一部(図３における絶縁被覆部分３ａ)に被覆した絶縁被覆が液体冷媒や冷媒ガスで冷却されても割れを引き起こすことのない引出し導体の構造を提案し、もって信頼性の高い極低温ケーブルの終端接続部を提供することにある。
【解決手段】 温度傾斜部内の液体冷媒層、冷媒ガス層及び高電圧引出部とを経て極低温から常温に引き出される引出し導体を有する極低温ケーブルの終端接続部において、前記引出し導体には前記温度傾斜部内に位置する部分及び前記高電圧引出部の下部に位置する部分に跨って、その両端に電界制御部材を有する絶縁被覆が施され、かつ少なくとも前記温度傾斜部内に位置する部分における引出し導体と絶縁被覆との間には離型処理が施されていることを特徴とするもの。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば液体窒素等の極低温液体で冷却される極低温ケーブル（超電導ケーブル、極低温抵抗ケーブル等を含む）の終端接続部に関するものである。

極低温ケーブル、例えば超電導ケーブルの終端接続部は、一端が超電導ケーブルの導体に直接、あるいは他の接続部材を介して間接的に接続され、他端が大気中に引き出される引出し導体を備えている。
この引出し導体は一般的には銅製の導体からなっていて、一端は液体窒素等で冷却され、他端は大気中に引き出されるため、液体窒素の温度、すなわち極低温から常温までの極めて大きな温度傾斜（温度勾配）を有している。

一般的な極低温ケーブルの終端接続部を図３を用いて説明する。
図３は従来の一般的な極低温ケーブルの終端接続部の一例を示す縦断面図である。図３が示すように超電導ケーブル等の導体１が接続部２を介して引出し導体３に接続されている。引出し導体３は液体窒素のごとき液体冷媒層４や、この液体冷媒層４の上部に連なる窒素ガス等からなる冷媒ガス層５とにより構成される温度傾斜部１２を通過し、さらにこの温度傾斜部１２とフランジ６により仕切られている高電圧引出部１３を通った後、外部へと導かれている。
この高電圧引出部１３は、主として碍子７と該碍子７の内部に充填された絶縁油やＳＦ_６ガス等からなる流体絶縁体８により構成されている。

ここで符号９は高圧用の断熱容器を示している。ところで前記引出し導体３は、温度傾斜部内１２に位置する部分と高電圧引出部１３の下部に位置する部分に跨って、例えばエチレンプロピレンゴム等からなる絶縁被覆が施された絶縁被覆部分３ａと、該絶縁被覆部分３ａの上方に延び高電圧引出部１３を通過し、外部へと引き出される絶縁被覆が施されていない、すなわち裸の銅導体からなる導体露出部３ｂとからなっている。符号１０は、前記絶縁被覆部分３ａの両端部近傍に設けられている電界制御部材、すなわちストレスコーンを示している。

このような極低温ケーブルの終端接続部は、極低温から常温までの極めて大きな温度傾斜（温度勾配）に曝されることから、種々の熱的問題を有している。
例えば、液体冷媒層４内に位置する絶縁被覆部分３ａの下端部やストレスコーン１０の下端部に、液体冷媒が外部からの侵入熱や引出し導体３のジュール熱で気化して、その蒸発ガスが溜まって絶縁強度を低下させるといった問題がある（特許文献１）。
さらには引出し導体３を通じて碍子７内の流体絶縁体８が冷媒ガス層５や液体冷媒層４側に熱を奪われ、固化または液化して絶縁強度が低下する、といった問題も提示されている（特許文献２）。

これらの問題のうち前者については、液体冷媒層４を該液体冷媒より沸点の低いガスで加圧する、といった提案（特許文献１）がなされ、後者の問題についても流体絶縁体８側における引出し導体３の外径を冷媒ガス層５や液体冷媒層４側における外径より大きくする、といった提案（特許文献２）がなされている。

特許文献１：特開平１０− ７０８２８号公報
特許文献２：特開平 ８−１９６０３２号公報

ところで図３に示す従来の極低温ケーブルの終端接続部においては、前述したように、液体冷媒層４内に位置する絶縁被覆部分３ａやストレスコーン１０の下端部に、液体冷媒が侵入熱や引出し導体３のジュール熱で気化して、その蒸発ガスが溜まって絶縁強度の低下を引き起こす、という問題や、流体絶縁体の熱が冷媒ガス層５や液体冷媒層４側に奪われて絶縁強度が劣化する、という問題だけでなく、以下のような問題もあった。
すなわち、引出し導体３の絶縁被覆部分３ａの、例えばエチレンプロピレンゴム製の絶縁被覆が、液体窒素の温度下で機械的強度が低下して割れが生じ、絶縁強度が劣化する、というものである。

そこで前記絶縁被覆の材料としてエチレンプロピレンゴム以外のものを種々検討した。具体的には、例えばエポキシ樹脂に換えてもみたが、エポキシ樹脂の線膨張係数が銅導体の線膨張係数より大きいためか、冷却されている最中にエポキシ樹脂に過大な応力が発生し、絶縁被覆が割れる場合があった。

そこで本発明の目的は、引出し導体の一部(図３における絶縁被覆部分３ａ)に被覆した絶縁被覆が液体冷媒や冷媒ガスで冷却されても割れを引き起こすことのない引出し導体の構造を提案し、もって信頼性の高い極低温ケーブルの終端接続部を提供することにある。

前記目的を達成すべく請求項１記載の本発明は、温度傾斜部内の液体冷媒層、冷媒ガス層及び高電圧引出部とを経て極低温から常温に引き出される引出し導体を有する極低温ケーブルの終端接続部において、前記引出し導体には前記温度傾斜部内に位置する部分及び前記高電圧引出部の下部に位置する部分に跨って、その両端に電界制御部材を有する絶縁被覆が施され、かつ少なくとも前記温度傾斜部内に位置する部分における引出し導体と絶縁被覆との間には離型処理が施されていることを特徴とするものである。

このようにしてなる請求項１記載の本発明の極低温ケーブルの終端接続部によれば、引出し導体の絶縁被覆部分が液体冷媒層や冷媒ガス層により冷却され、絶縁被覆を構成する樹脂が銅導体からなる引出し導体と共に収縮し、その際、両者の線膨張係数の差により収縮量や収縮速度が違っても、両者間には少なくとも温度傾斜部内に位置する部分における引出し導体と絶縁被覆との間に離型処理が施されているため、両者は互いの界面を滑りながら収縮し、互いに収縮に伴う応力を受け難くなる、と推測される。
その結果、絶縁被覆（樹脂）に過度の応力が負荷され難くなって、樹脂製の絶縁被覆が割れ難くなる。よって信頼性の高い極低温ケーブルの終端接続部を提供することができる。

また請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において前記引出し導体は、前記高電圧引出部内に位置する部分の外径が前記温度傾斜部内に位置する部分のそれより大きくなっていて、かつ前記温度傾斜部内に位置する部分の外径は上部に向かってテーパ状に細くなっていることを特徴とするものである。

このようにしてなる請求項２記載の本発明によれば、前述のように引出し導体の絶縁被覆部分が液体冷媒層や冷媒ガス層により冷却され、その際線膨張係数の差により絶縁被覆を構成する樹脂と銅導体の収縮量や収縮速度が違っても、両者間には前述のように少なくとも温度傾斜部内に位置する部分における引出し導体と絶縁被覆との間に離型処理が施されているのに加えて、銅導体の前記温度傾斜部内に位置する部分の外径が上部に向かってテーパ状に細くなっているため、収縮する樹脂は引出し導体上をより滑り易くなって、より一層過度の応力が発生し難くなる。すなわち割れ難くなる。

このように樹脂側に過度の応力がより一層負荷され難くなって、樹脂製の絶縁被覆がより割れ難くなり、信頼性の高い極低温ケーブルの終端接続部を提供することができる。

さらに請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、前記絶縁被覆がエポキシ樹脂からなることを特徴とするものである。
このようにしてなる請求項３記載の本発明によれば、絶縁被覆用の樹脂としてエポキシ樹脂を使用しているため、より一層冷却下でも割れ難くなる。
よって信頼性の高い極低温ケーブルの終端接続部を提供することができる。

以上のように本発明の極低温ケーブルの終端接続部によれば、引出し導体の絶縁被覆部分における絶縁被覆に過度の応力が負荷され難くなって、樹脂製の絶縁被覆が割れ難くなる。よって信頼性の高い極低温ケーブルの終端接続部を提供することができる。

図１及び図２を用いて本発明の極低温ケーブルの終端接続部の一実施例を詳細に説明する。

図１は本発明の極低温ケーブルの終端接続部の要部縦断面図である。図１において符号３が本発明の対象となっている引出し導体である。この引出し導体３はその下端が、例えばフレキシブル接続子のごとき接続端子２０によりインターフェース用の導体１１に接続されている。
このインターフェース用の導体１１は、超電導ケーブルの導体に直接接続される導体であったり、あるいは超電導ケーブルの導体にマルチコンタクトや種々の接続スリーブ等を介して間接的に接続される導体である。

さて前述のように下端が導体１１に接続された引出し導体３は、上方に向かって、温度傾斜部１２内の液体窒素等の液体冷媒層４、窒素ガス等からなる冷媒ガス層５及び温度傾斜部１２の上方に連なる高電圧引出部１３とを経て、高電圧引出部１３の先端、すなわち常温の状態へと引き出されている。

因みに温度傾斜部１２は、主として図１が示すように真空断熱層を形成しているＳＵＳ製の外部圧力容器２１で覆われている、同じくＳＵＳ製の内部圧力容器２２と、この内部圧力容器２２内に形成されている前記液体冷媒層４や冷媒ガス層５とで構成されている。また温度傾斜部１２とフランジ６で仕切られている高電圧引出部１３は、主として碍子７と、該碍子７内に充填されている絶縁油やＳＦ_６ガス等からなる流体絶縁体８及び高電圧引出部１３の先端に設けられている上部金具１４により構成されている。また符合２３は温度傾斜部１２と図示しないインターフェース側を仕切る圧力隔壁を示している。

さてこのように極低温ケーブルの終端接続部内に配置される本発明の引出し導体３は、前記温度傾斜部１２内に位置する部分及び前記高電圧引出部１３の下部に位置する部分に跨って、その両端に図１及び図２が示すように、電界制御部材としてベルマウス構造３ｇを有するエポキシ樹脂製の絶縁被覆が施されている。尚、この電界制御部材としては、ベルマウス構造３ｇに限定されるものではなく、通常使用されている種々の形状のストレスコーンが使用できる。
このように絶縁被覆が施されている部分を絶縁被覆部分３ａとする。そしてこの絶縁被覆部分３ａの上方には、必要により接続部を介して絶縁被覆が施されていない、すなわち裸の銅導体からなる導体外径約Ｄの導体露出部３ｂが連なり、その先端は前記上部金具１４へと導かれている。

尚、引出し導体３の銅導体は、図１が示すように、前記高電圧引出部内１３に位置する部分３ｅの外径が，前記温度傾斜部１２内に位置する部分３ｆのそれより相対的に大きくなっていて、引出し導体３を通じて碍子７内の流体絶縁体８が冷媒ガス層５や液体冷媒層４側に熱を奪われ難く設計されている。すなわち、流体絶縁体８が固化または液化して絶縁強度が低下するのを防止している。
このように引出し導体３は絶縁被覆部分３ａと導体露出部３ｂにより構成されている。

本発明の特徴は、前記引出し導体３の絶縁被覆部分３ａにある。そこでこの絶縁被覆部分３ａの拡大一部断面図である図２により、本発明を詳細に説明する。
まず引出し導体３の形状について説明する。図２で、紙面に向かって右側が図１における引出し導体３の下端部を示し、紙面の左側が高電圧引出部１３へと立ち上がっている上端部を示している。
図２の左側で、高電圧引出部１３内に位置する部分の導体３ｅの外径Ｄは、図２の右側で前記温度傾斜部１２内に位置し、引出し導体３の下端側に相当する部分の導体３ｆの最下端外径ｄより大きくなっている。また温度傾斜部１２内に位置するこの導体３ｆの外径は上部に向かってテーパ角度θで細くなっていて、図１のフランジ６の近傍下端にて一度最小外径になった後、今度は逆に拡径され、フランジ６の近傍では導体外径Ｄになるよう設計されている。

一方、この引出し導体３に被覆されている絶縁被覆には、図２が示すように絶縁被覆部分３ａの両端部近傍に電界制御用のベルマウス構造３ｇ、３ｇが設けられている。また中央部にはフランジ部分３ｋが設けられているが、これは図１のフランジ６の下端にこのフランジ部分３ｋの上面を当接させて引出し導体３を位置決め、固定するためのものである。他の方法で引出し導体３の位置決めができるならフランジ部分３ｋをあえて設ける必要はない。

そして前記引出し導体３の導体がテーパ状になっている部分（導体３ｆ側）においては、絶縁被覆と引出し導体３ｆとの間には離型処理が施されている。

このようにしてなる絶縁被覆部分３ａを導体露出部３ｂと接続した後、これを図１に示す終端接続部内にセットした。そして高電圧引出部１３の上部金具１４を装着したら、碍子７内、外部圧力容器２１内及び内部圧力容器２２内を真空引きし、しかる後碍子７内には絶縁油を注入して流体絶縁体８を形成し、かつ内部圧力容器２２には、まず絶縁被覆部分３ａの下端の導体が露出している部分３ｎのみが液体冷媒層４に浸漬するレベルまで図示しない液体冷媒注入口から液体窒素を注入した。
この状態を約１０分間保持して引出し導体３側を絶縁被覆（樹脂）より先に冷却し、熱収縮を開始させた。しかる後液体窒素を図１が示すレベルまで注入した。

このようにして組み立てた極低温ケーブルの終端接続部に対して部分放電試験を試みた。その結果、ノイズレベルは２ｐｃで、７７ｋＶ用送電ケーブルの部分放電試験用電圧である９５ｋＶを負荷しても部分放電がでないことを確認した。また試験終了後にこの終端接続部を解体し、引出し導体３を引き上げて観察したが、絶縁被覆部分３ａの絶縁被覆には割れやクラックは全く見られなかった。

このようにエポキシ樹脂製の絶縁被覆が割れなかった理由は以下のように推測される。
すなわち、絶縁被覆部分３ａが液体冷媒層４や冷媒ガス層５により冷却され、絶縁被覆を構成する樹脂が銅導体からなる引出し導体３と共に収縮した場合、従来のものようにこの絶縁被覆部分３ａにおいて、引出し導体３とこれを被覆している絶縁被覆とが密着（接着を含む）していると、本来は互いにその線膨張係数の相違する両者はその収縮量や収縮速度の違いにも係わらず無理に一緒に収縮しようとする。そのため両者に過剰な応力が負荷されることになり、相対的に機械的強度の弱い樹脂、すなわち絶縁被覆が割れたり、クラックが入ったりする。

それに対して本発明の引出し導体３における絶縁被覆部分３ａにおいては、少なくとも冷却量の大きい温度傾斜部１２内に位置する部分にあって、引出し導体３と絶縁被覆間に離型処理を施しているため、引出し導体３と絶縁被覆とが液体冷媒層４や冷媒ガス層５で冷やされて両者が収縮する際、両者間に離型処理が施されているため、両者間に滑りが生じ、互いの収縮が邪魔され難くなり、その結果、過剰な応力が負荷する事態が緩和される、と推測される。

特に、温度傾斜部１２内に位置する引出し導体３の形状を図２が示すように上方に向かうほど、その外径が細くなるようにしておくと、絶縁被覆部分３ａがその下方から順次冷却され、収縮する際、熱伝導率の大きい引出し導体３がより先立ってその径方向及び長手方向に収縮し、しかる後熱伝導率の小さい絶縁被覆（樹脂）が収縮するので、絶縁被覆内に発生する応力はより一層緩和される、と考えられる。

また前述した構造の引出し導体３において、絶縁被覆用の樹脂として、エチレンプロピレンゴムに換えてエポキシ樹脂を使用した結果、絶縁被覆の割れがより少なくなった。

また前述のように、引出し導体３を温度傾斜部１２内に組み込んだ後、まずその下端部の導体が露出している部分３ｎのみ液体冷媒層４に浸漬し、この部分を先に冷却した後、液体冷媒層４のレベルを上げていったが、この結果として、引出し導体３の方がより先に絶縁被覆側より冷され、収縮したため、その後に収縮した絶縁被覆への応力の発生も幾分小さくできた、とも推測される。

本発明の極低温ケーブルの終端接続部の要部を示す拡大縦断面図である。 図１の引出し導体の絶縁被覆部分を示す拡大一部断面図である。 従来の極低温ケーブルの終端接続部の要部縦断面図である。

符号の説明

３ 引出し導体
３ａ 絶縁被覆部分
３ｂ 導体露出部
４ 液体冷媒層
５ 冷媒ガス層
６ フランジ
７ 碍子
８ 流体絶縁体
１２ 温度傾斜部
１３ 高電圧引出部

Claims (3)

1. 温度傾斜部内の液体冷媒層、冷媒ガス層及び高電圧引出部とを経て極低温から常温に引き出される引出し導体を有する極低温ケーブルの終端接続部において、前記引出し導体には前記温度傾斜部内に位置する部分及び前記高電圧引出部の下部に位置する部分に跨って、その両端に電界制御部材を有する絶縁被覆が施され、かつ少なくとも前記温度傾斜部内に位置する部分における引出し導体と絶縁被覆との間には離型処理が施されていることを特徴とする極低温ケーブルの終端接続部。
2. 前記引出し導体は、前記高電圧引出部内に位置する部分の外径が前記温度傾斜部内に位置する部分のそれより大きくなっていて、かつ前記温度傾斜部内に位置する部分の外径は上部に向かってテーパ状に細くなっていることを特徴とする請求項１記載の極低温ケーブルの終端接続部。
3. 前記絶縁被覆はエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の極低温ケーブルの終端接続部。

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