JP2006197701A - 超電導ケーブルの端末構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】 冷媒による冷媒槽の熱収縮を吸収でき、長期の使用に亘り、常温側と低温側との境界に配置されるシール部材の気密性能の劣化を抑制する超電導ケーブルの端末構造を提供する。
【解決手段】 常温側と超電導ケーブル50の端部が配される低温側との間でブッシング10を介して電力の出入力を行う超電導ケーブルの端末構造であり、低温側にブッシング10を冷却する冷媒槽1を具える。この冷媒槽1は、液体冷媒が充填される液体冷媒領域と、気体冷媒が充填される気体冷媒領域とを有している。また、冷媒槽1には、細幅部4と、冷媒によって冷媒槽1が熱収縮する際の収縮を吸収する収縮吸収部5とを具える。この細幅部4は、その内面とブッシング10の外周との間隔tが、加圧機により加圧することなく気体状態が維持される大きさで、かつ気体冷媒3の圧力と液体冷媒2の圧力とが平衡する大きさである領域を形成する。
【選択図】 図1
【解決手段】 常温側と超電導ケーブル50の端部が配される低温側との間でブッシング10を介して電力の出入力を行う超電導ケーブルの端末構造であり、低温側にブッシング10を冷却する冷媒槽1を具える。この冷媒槽1は、液体冷媒が充填される液体冷媒領域と、気体冷媒が充填される気体冷媒領域とを有している。また、冷媒槽1には、細幅部4と、冷媒によって冷媒槽1が熱収縮する際の収縮を吸収する収縮吸収部5とを具える。この細幅部4は、その内面とブッシング10の外周との間隔tが、加圧機により加圧することなく気体状態が維持される大きさで、かつ気体冷媒3の圧力と液体冷媒2の圧力とが平衡する大きさである領域を形成する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、低温側と常温側との間でブッシングを介して電力の受け渡しを行う超電導ケーブルの端末構造に関するものである。特に、冷媒の冷却による冷媒槽の熱収縮を吸収することができる超電導ケーブルの端末構造に関するものである。
従来、超電導ケーブルの端末構造として、例えば、図2に示す構造のものが知られている(特許文献1参照)。この端末構造は、超電導ケーブル100の端部と、この端部が収納される冷媒槽101と、ケーブル100に有する超電導導体と常温側との間で電気的導通をとるブッシング102と、冷媒槽101の外周を覆うように配置される真空容器103と、真空容器103の常温側に突設される碍管104とを具える。
ブッシング102は、中心部に、超電導導体とジョイント105を介して電気的に接続される導体部102aを有し、導体部102aの周囲にFRPにて形成された固体絶縁層102bを被覆した構成であり、冷媒槽101から碍管104に亘って収納されている。ブッシング102の外周には、二つのフランジ102c,102dを具えており、一方のフランジ102cが冷媒槽101に固定され、他方のフランジ102dが真空容器103,碍管104に固定される。冷媒槽101内には、ブッシング102やジョイント105などを冷却する液体窒素などの液体冷媒が充填され、碍管104内には、絶縁油やSF6ガスなどの絶縁流体が充填される。フランジ102cと冷媒槽101との間、及びフランジ102dと碍管104との間に金属シールを施して、冷媒槽101などを気密に封止している。真空容器103には、これらフランジ102c,102d及びフランジ102c,102dを連結する部材にて囲まれる空間：中間真空部103aを具え、常温側から低温側への熱侵入の低減を図っている。
上記従来の端末構造において冷媒槽に冷媒が導入される際、冷媒槽は、冷媒によって冷却されることで熱収縮する。しかし、従来の端末構造では、この熱収縮を吸収するための構成が検討されていなかった。
また、上記従来の端末構造では、冷媒槽とフランジ間や碍管とフランジ間といった境界近傍においてシール性能が低下する恐れがある。
そこで、本発明の主目的は、冷媒の冷却による冷媒槽の熱収縮を吸収可能な超電導ケーブルの端末構造を提供することにある。また、本発明の他の目的は、長期の使用に亘り、気密性能の低下を抑制することができる超電導ケーブルの端末構造を提供することにある。
本発明は、冷媒槽に、熱収縮の吸収機構を具えることで上記目的を達成する。即ち、本発明は、常温側と超電導ケーブルの端部が配される低温側との間でブッシングを介して電力の出入力を行う超電導ケーブルの端末構造であって、低温側に上記ブッシングを冷却する冷媒槽を具える。この冷媒槽は、液体冷媒と気体冷媒とが充填される。そして、本発明の最も特徴とするところは、冷媒槽に、冷媒によって冷媒槽が熱収縮する際の収縮を吸収する収縮吸収部を具えることにある。また、上記構成に加えて、本発明端末構造は、冷媒槽に、気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力のバランスが制御される特定の大きさの部分を具える。即ち、本発明端末構造は、上記構成に加えて、冷媒槽の内面とブッシングの外周との間隔が加圧機により加圧することなく気体状態が維持される大きさで、かつ気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力とが平衡する大きさであり、液体冷媒と気体冷媒との境界が存在する領域を形成する細幅部を具える。
上記従来の端末構造では、ブッシングの外周に設けられたフランジに冷媒が直接触れる構成であり、冷媒が冷媒槽に流入されると、冷媒により冷却されてブッシングや冷媒槽に熱収縮が生じる。そこで、特許文献1には、中間真空部を構成する連結部材を波付き管で形成し、フランジを可動させることで、フランジに過大な応力が加わることを防止させることが開示されているが、冷媒槽については何ら検討されていない。また、上記従来の端末構造では、ブッシング近傍において十分な温度勾配をとろうとすると、低温側から常温側に向かう方向の長さを長くしなければならず、端末構造が大型化してしまう。更に、上記従来の端末構造では、組立時の常温から冷媒温度までの温度変化におけるブッシングの材質(FRP)の熱収縮率と冷媒槽の材質(ステンレス)の熱収縮率との差により、シール面の相対位置が若干ずれて隙間を生じたり、シール部材を締め付けているボルトに緩みが生じるなどして、シール機能が低下する恐れがある。
これに対し、本発明は、収縮吸収部を冷媒槽に具えることで、冷媒槽に冷媒が導入されて、冷媒槽が冷媒により冷却されて熱収縮が生じても、その収縮分を十分吸収することができる。従って、この熱収縮に伴う不具合、例えば、端末構造の破壊などを効果的に防止することができる。
また、本発明は、細幅部を冷媒槽に具えることで、冷媒槽の常温側を常温側からの侵入熱により比較的温度が高い気体冷媒領域とし、液体冷媒側に向かうに従って温度が低い液体冷媒領域を有することができる。即ち、本発明では、低温側から常温側に向かって十分な温度勾配を有する領域を具える。そのため、細幅部に収納されるブッシングにも十分な温度勾配を設けられ、低温側において侵入熱の影響を低減する。特に、本発明は、冷媒槽において、低温側から常温側に向かう方向の長さを長くするのではなく、冷媒槽の内面とブッシングの外周間の間隔が小さい部分(細幅部)を具えることで、より小型な端末構造を実現する。更に、本発明は、十分な温度勾配を有することにより、端末構造を組み立ててからケーブルの運転が始まっても、低温側と常温側との境界部近傍における温度の変化が少ないため、長期に亘り、この境界部近傍における気密性を十分に維持することができる。以下、本発明をより詳しく説明する。
本発明で利用する超電導ケーブルは、超電導導体を有するケーブルコアと、コアを収納する断熱管とを具える構成のもの挙げられる。ケーブルコアのより具体的な構成としては、中心から順に、フォーマ、超電導導体、電気絶縁層、超電導層、保護層を具えるものが挙げられる。電気絶縁層の外周に設ける超電導層は、超電導シールド層や帰路導体などとして利用する。このようなケーブルコアは、1心でもよいし、複数心でもよい。従って、利用する超電導ケーブルは、単心ケーブルでも多心ケーブルでもよい。また、利用する超電導ケーブルは、直流用でもよいし、交流用でもよい。もちろん公知の超電導ケーブルを利用してもよい。
本発明においてブッシングは、上記超電導ケーブルの超電導導体と電気的導通をとることが可能な導体部と、導体部の外周に被覆される固体絶縁層とを具えるものとする。ブッシングの導体部としては、銅やアルミニウム(共に、77Kの比抵抗ρ＝2×10-7Ω・cm)などのように、超電導ケーブルの使用温度(冷媒温度)、例えば、冷媒として液体窒素を用いる場合、液体窒素の温度近傍においても電気的抵抗が小さい金属などの導電性材料にて形成するとよい。固体絶縁層は、電気絶縁性に優れる樹脂材料、例えば、エチレンプロピレンゴムなどの絶縁ゴム材料でもよいが、強化繊維プラスチック(FRP)が特に好ましい。FRPの場合、外表面の加工精度を高くすることができるため、冷媒槽(細幅部)の内面とブッシングの外周間の間隔をより小さくすることができる。また、冷媒槽をステンレスなどの金属で構成する場合、固体絶縁層を例えばFRPにて形成し、その外周にステンレスなどの金属材料を施した構成とすると、冷媒槽の内面とブッシングの外周とが金属同士になり、いわゆるバイヨネット方式の構造を採用することができるため、細幅部の幅をより小さくすることが可能である。
このブッシングは、低温側から常温側に亘って配置する。ブッシングの一端側は、後述する冷媒槽、冷媒槽の外周に設けた真空容器に収納する。真空容器は、冷媒槽と真空容器との間の空間に真空断熱層を具える。これら冷媒槽や真空容器は、強度に優れるステンレスなどの金属で構成することが好ましい。真空容器は、従来の真空容器と同様の構成としてもよい。ブッシングの他端側は、真空容器から突出するように設けた碍管に収納する。碍管内には、絶縁油やSF6などの電気絶縁性に優れる絶縁液体、絶縁ガスなどの絶縁流体を充填させる。
ブッシングの一端側が収納される冷媒槽は、ブッシングの端部や超電導ケーブル(ケーブルコア)の端部とブッシングの端部との接続箇所が収納される本体部と、ブッシングの中間部が収納配置される管状部とを具える構成が挙げられる。本体部は、上記各部、箇所が収納できる大きさを有するように設け、管状部は、ブッシングが挿通可能な大きさを有するように設ける。また、本発明において冷媒槽は、液体冷媒と気体冷媒とを充填する。従って、冷媒槽内の空間は、液体冷媒が充填される液体冷媒領域と、上記液体冷媒領域よりも常温側に設けられ、気体冷媒が充填される気体冷媒領域とを有する。冷媒槽の本体部は、液体冷媒を満たした液体冷媒領域とし、管状部は、気体冷媒のみを存在させて気体冷媒領域のみとしてもよいし、気体冷媒及び液体冷媒の双方を存在させて液体冷媒領域と気体冷媒領域との双方としてもよい。
気体冷媒及び液体冷媒は、同種のものでもよいし、異種のものでもよい。例えば、気体冷媒として、窒素ガス、ヘリウムガスなどが挙げられる。液体冷媒は、例えば、液体窒素、液体ヘリウムなどが挙げられる。
そして、本発明の最も特徴とするところは、上記冷媒槽に、冷媒によって冷媒槽が熱収縮する際の収縮分を吸収する収縮吸収部を具える。収縮吸収部は、冷媒槽の熱収縮を吸収可能な構成であればよく、可撓性、伸縮性を有する材料にて形成することが挙げられる。この収縮吸収部は、冷媒槽の本体部に設けてもよいし、管状部に設けてもよい。前者の場合、本体部の一部を伸縮可能な形状に形成して収縮吸収部とすることが挙げられる。後者の場合、ブッシングが挿通配置可能な大きさ(直径)を有しており、長手方向に凹凸を有するベローズ管を用いて収縮吸収部を形成することが挙げられる。即ち、ブッシングの外周に収縮吸収部が存在する構成である。
更に、本発明端末構造は、上記収縮吸収部に加えて、冷媒槽の内面とブッシングの外周間の間隔が狭い領域を具えてもよい。この領域の具体的な大きさ(幅)としては、加圧機により加圧することなく気体冷媒が気体状態に維持されると共に、気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力とが平衡する大きさとする。即ち、この領域の大きさは、この領域に気体冷媒と液体冷媒との境界が存在して、気体冷媒と液体冷媒との圧力の均衡が取れる大きさとする。このような領域を細幅部にて形成する。即ち、細幅部の内側の空間に上記境界が存在するようにする。細幅部の大きさは、液体冷媒の充填圧力や、侵入熱の度合い、ブッシング径(外径)などによって調整するとよいが、例えば、液体冷媒として液体窒素、気体冷媒として窒素ガスを用い、ブッシング径を100〜200mm程度、液体冷媒の圧力を0.3〜0.5MPa程度とする場合、細幅部の内径を冷媒槽(細幅部)の内面とブッシングの外周間の間隔が0.1〜2.5mm程度となるような大きさとし、細幅部の長さ(低温側から常温側に向かう方向(長手方向)の距離)は300〜500mm程度が挙げられる。細幅部の長さをより短くする場合、細幅部の内径を大きめにするとよく、所望の大きさの端末構造となるように、上記細幅部の長さ及び内径を選択するとよい。
上記細幅部は、上記冷媒槽においてブッシングが配置される箇所に設ける。具体的には、管状部の少なくとも一部に設けるとよい。従って、管状部全てを細幅部としてもよいし、管状部の一部を細幅部としてもよい。前者の場合、気体冷媒と液体冷媒との境界が、管状部と本体部の境界に位置するように細幅部を設けてもよいし、細幅部(管状部)に存在するように細幅部を設けてもよい。
上記細幅部は、長手方向において表面が平滑なフラット管にて形成することが好ましい。ベローズ管のように長手方向に凹凸を有するような形状である場合、上記圧力を均衡させることが難しい。従って、細幅部の形成材料としてフラット管を利用することが好適である。このとき、フラット管の直径とブッシングの外径との差が細幅部の内面とブッシングの外周間の間隔となる。
また、上記細幅部は、冷媒槽の内面とブッシングの外周面との間の間隔が小さい部分を形成する部材であり、同間隔が狭いことで、常温側の液体冷媒が常温側からの侵入熱により気化されて気体冷媒となり、低温側の液体冷媒はそのまま液体の状態とすることができる。即ち、十分な温度勾配をとることができ、この気体冷媒と液体冷媒とは、細幅部の内側の空間で均衡する。従って、細幅部の大きさを適宜調整することで、従来のように加圧機による加圧を行わなくても、気体冷媒を気体状態に維持することが可能である。そのため、加圧機を別途設ける必要がなく、構成部材を少なくして端末構造をより小型化することができる。本発明では、冷媒槽にこのような細幅部を設けることで、低温側と常温側との境界に配されるシール部材が冷媒にて冷却されて硬化し、シール性能が低下することを低減する。
上記細幅部を冷媒槽の管状部に設け、上記収縮吸収部を冷媒槽の本体部に設ける場合、冷媒槽が熱収縮した際、本体部の液体冷媒が管状部に移動して液面が常温側に上昇し、温度勾配を十分にとることができない恐れがある。従って、収縮吸収部に加えて細幅部を設ける場合、収縮吸収部は、細幅部と同様に管状部に設けることが好ましい。特に、収縮吸収部は、管状部において気体冷媒が充填される常温側に設けると、収縮による液面の上昇量を低減することができて好ましい。収縮吸収部を冷媒槽の管状部に設ける場合、細幅部と収縮吸収部とを長手方向に直列的に接続して配置することが挙げられる。このとき、細幅部と収縮吸収部とは、いずれを低温側に配置してもよく、低温側に細幅部、常温側に収縮吸収部としてもよいし、低温側に収縮吸収部、常温側に細幅部としてもよいし、細幅部の中間に収縮吸収部を配置した形態としてもよい。いずれの形態においても、収縮吸収部をベローズ管といった凹凸形状の部材にて形成する場合、気体と液体の圧力を均衡するように調整することが難しいため、本発明では、細幅部で気液が分離される構成とする。或いは、上述したように、本体部と細幅部が設けられる管状部との境界で気液が分離される構成としてもよい。
細幅部と収縮吸収部とを長手方向に直列的に接続させてもよいが、この場合、管状部の長手方向の長さが大きくなるため、端末構造が大型化する。そこで、長手方向の長さを短くしてより小型な端末構造とするべく、細幅部と収縮吸収部とは、一部が重複するように設けてもよい。具体的には、収縮吸収部の内側に細幅部の一部が重複するように配置することが好ましい。即ち、細幅部の一端側の外周に収縮吸収部の一端側が存在するように両者を重ね合わせて配置する。このとき、収縮吸収部の他端(常温側端部)が細幅部の他端(常温側端部)よりも突出して配置するとよい。
また、管状部に細幅部と収縮吸収部とを具える場合、圧力バランスによっては液体冷媒が細幅部に浸入し過ぎることがあり、液体冷媒の液面が常温側に上昇し過ぎて、温度勾配が十分にとれない恐れがある。そこで、液体冷媒が細幅部に浸入し過ぎないように細幅部の大きさ及び収縮吸収部の大きさを設定する。具体的な大きさとしては、例えば、ブッシングの外径を100〜200mm程度とし、細幅部に断面円形状のフラット管、収縮吸収部にベローズ管を利用する場合、細幅部の内径は細幅部の内周とブッシングの外周間の間隔が0.1〜2.5mm程度となるような大きさ、特に、ブッシング外径よりも1〜2mm程度大きくなるようにし、長さを300〜500mm程度、収縮吸収部の可撓部分(ベローズ管)の長さを100〜400mm程度、可撓部分の最小径を細幅部の外径よりも10〜20mm程度大きくすることが挙げられる。
なお、ベローズ管のみで細幅部と収縮吸収部とを形成することも考えられるが、この場合、上記のように圧力を均衡させることが難しく、液体冷媒が常温側(碍管内)に浸入して温度勾配が十分にとれない恐れがある。従って、細幅部はフラット管で形成することが好適である。
上記冷媒槽への気体冷媒及び液体冷媒の導入は、例えば、まず、気体冷媒を冷媒槽に導入しておき、その後、細幅部において気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力とが平衡するように液体冷媒を導入するとよい。そして、両冷媒の平衡状態が保持されるように冷媒槽を密閉するとよい。このように冷媒槽を密閉することで、加圧機による加圧を行うことなく気体冷媒の加圧状態が保持される。また、液体冷媒は、適切な温度を維持できるように冷凍機などにより冷却を行ってもよいし、循環させて循環冷却を行ってもよい。循環冷却を行うことで液体冷媒の移動により、細幅部における液面の位置が多少変化することも考えられるが、気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力とが平衡するように液体冷媒の循環圧力などを調整することによって、平衡状態を維持することができる。
細幅部を具える本発明では、気体冷媒が一定の加圧状態にあるため、液体冷媒を低温側に押し付け、液体冷媒が常温側に漏洩することを防止しているが、更に、漏洩防止部材を別途具えておくと、液体冷媒の漏洩をより効果的に防止することができて好ましい。漏洩防止部材の形状は、液体冷媒が常温側に漏れにくくすることができるものであればよく、特に問わない。例えば、ブッシングの外周に挿通配置可能なリング状としてもよいし、冷媒槽の本体部と管状部との境界付近の形状に適合した形状としてもよい。漏洩防止部材の材質は、エチレンプロピレンゴムなどのゴム系樹脂材料でもよいが、シリコン系樹脂材料の場合、液体窒素などの冷媒に対する耐性に優れるため好ましい。
本発明端末構造は、冷媒槽に収縮吸収部を具えることで、冷媒槽に冷媒を導入する際、冷媒により冷媒槽が冷却されて収縮することがあっても、この収縮を収縮吸収部にて吸収することができ、収縮に伴う端末構造の破壊などといった不具合を防止することができる。
また、本発明端末構造は、冷媒槽に特定の大きさである細幅部を具えることで、冷媒槽においてブッシングが配置される箇所の長手方向の長さを過剰に大きくすることなく、低温側から常温側への温度勾配を十分にとることができる。そのため、常温側と低温側との境界部近傍においてシール性能が低下するといった不具合を防止することができる。従って、本発明端末構造は、長期の使用に亘って、常温側への気体冷媒の漏洩防止を実現することができる。
更に、本発明端末構造では、上記のように細幅部の大きさを特定することで、気体冷媒が加圧機を用いることなくそれ自身で加圧状態となっているため、液体冷媒を低温側に押し付けることができ、液体冷媒が常温側に上昇しにくくする。従って、気体冷媒領域の温度勾配が十分に維持され、シール性能が劣化することを効果的に防ぐことができる。加えて、上記のように加圧機が不用であるため、構成部材を削減することができる。
このような本発明端末構造は、超電導ケーブル線路において、常温側と低温側との間で電力の受け渡しを行う箇所に設けることが好適であり、電力の出力に利用してもよいし、電力の入力に利用してもよいし、電力の入出力の双方に利用してもよい。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図1(A)は、本発明超電導ケーブルの端末構造の部分断面を示す概略構成図、(B)は、冷媒槽の管状部の一部を拡大して示す部分断面図である。この端末構造は、常温側と超電導ケーブル50の端部が配される低温側との間で、ブッシング10を介して電力の出入力を行うものである。詳しくは、超電導ケーブル50の端部と、ケーブル50に有する超電導導体51に接続されて低温側から常温側に電気的導通をとるブッシング10と、ケーブル50の端部とブッシング10とを接続するジョイント54と、ジョイント54及びブッシング10が収納される冷媒槽1と、冷媒槽1の外周を覆う真空容器20と、真空容器20の常温側に突設される碍管30とを具える。冷媒槽1には、低温側に液体冷媒2が充填される液体冷媒領域と、液体冷媒領域よりも常温側に気体冷媒3が充填される気体冷媒領域とを隣接して具える。
図1(A)は、本発明超電導ケーブルの端末構造の部分断面を示す概略構成図、(B)は、冷媒槽の管状部の一部を拡大して示す部分断面図である。この端末構造は、常温側と超電導ケーブル50の端部が配される低温側との間で、ブッシング10を介して電力の出入力を行うものである。詳しくは、超電導ケーブル50の端部と、ケーブル50に有する超電導導体51に接続されて低温側から常温側に電気的導通をとるブッシング10と、ケーブル50の端部とブッシング10とを接続するジョイント54と、ジョイント54及びブッシング10が収納される冷媒槽1と、冷媒槽1の外周を覆う真空容器20と、真空容器20の常温側に突設される碍管30とを具える。冷媒槽1には、低温側に液体冷媒2が充填される液体冷媒領域と、液体冷媒領域よりも常温側に気体冷媒3が充填される気体冷媒領域とを隣接して具える。
冷媒槽1は、ブッシング10の端部、ブッシング10の端部と超電導ケーブル50の端部とを接続する接続箇所(ジョイント54)を収納する本体部1aと、ブッシング10の中間部が挿通配置される管状部1bとを有する。本体部1aは、液体冷媒2が充填される液体冷媒領域であり、管状部1bは、低温側に液体冷媒2が充填される液体冷媒領域を具え、常温側に気体冷媒3が充填される気体冷媒領域を具える。本例では、液体冷媒2として液体窒素、気体冷媒3として、窒素ガスを用いている。
そして、本発明の特徴とするところは、管状部1bに細幅部4と収縮吸収部5とを具える点にある。細幅部4は、その内面4aとブッシング10の外周11aとの間隔tが、加圧機による加圧を行うことなく窒素ガスが気体状態に維持されると共に、窒素ガスの圧力と液体窒素との圧力が平衡する大きさを有する領域を形成する。収縮吸収部5は、冷媒槽1に冷媒を導入することで、冷媒により冷媒槽1が冷却されて収縮する際、この収縮を吸収する箇所である。以下、各構成を詳しく説明する。
本例で用いた超電導ケーブル50は、超電導導体51を有するケーブルコア52を断熱管53内に収納させた構成のものを利用した。ケーブルコア52は、中心から順に、フォーマ、超電導導体51、電気絶縁層、超電導層、保護層を具える。断熱管53は、内管53a及び外管53bからなる二重構造であり、内管53aの外周に断熱材が巻回された断熱層を有し、内管53aと外管53b間が所定の真空度に真空引きされている。内管53a内には、ケーブルコア52を冷却する冷媒(この例では液体窒素)が充填される。この超電導ケーブル50の端部において、ケーブルコア52を引き出して段剥ぎし、露出させた超電導導体51に銅などの常電導材料からなる接続導体55を接続し、この接続導体55とブッシング10の導体部11とをジョイント54にて接続させている。
本例で用いたブッシング10(外径140mm)は、超電導ケーブル50の超電導導体51と電気的導通をとることが可能な導体部11(直径40mmφ)と、導体部11の外周に被覆される固体絶縁層12(厚さ50mm)とを具える。本例において導体部11は、液体窒素の温度近傍において電気的抵抗が小さい銅からなるものを用いた。固体絶縁層12は、電気絶縁性、機械的加工性に優れるFRPにて形成した。このブッシング10の中間部の外周には、ブッシング10を冷媒槽1(後述するフランジ5c)に固定するためのフランジ13を設けており、これらフランジ5c,13は、液体窒素や窒素ガスなどの冷媒が充填される低温側(冷媒槽1)と、SF6などの絶縁流体が充填される常温側(碍管30)とを区画する境界となる。なお、ブッシング10において常温側端部には、銅製の上部シールド(図示せず)を設けている。また、ジョイント54には、下部シールド(図示せず)を設けている。
本例において冷媒槽1は、本体部1a、管状部1bのいずれもステンレスにて形成している。本体部1aは、超電導ケーブル50の端部においてケーブルコア52から引き出した超電導導体51に接続させた接続導体55、上記ブッシング10の端部、これら端部を接続するジョイント54が収納可能な大きさを有する容器であり、内部に液体窒素が充填される。また、本体部1aには、液体窒素を冷却するための冷凍機が接続されたり、循環冷却を行う際、液体窒素の供給配管及び排出配管が接続される(いずれも図示せず)。この冷媒槽1は、ステンレスにて形成した真空容器20内に収納させている。真空容器20と冷媒槽1との間には、真空断熱層21を具え、所定の真空度に真空引きされた構成である。
そして、冷媒槽1において管状部1bは、ブッシング10を挿通配置可能な大きさを有する筒状であり、低温側に細幅部4、常温側に収縮吸収部5を具える。本例において細幅部4は、フラット管を利用して形成しており、収縮吸収部5は、中間部にベローズ管5aを有する筒体にて形成した。また、本例では、細幅部4を形成するフラット管の一部の外周に収縮吸収部5を形成する筒体の一部が位置するように細幅部4と収縮吸収部5とを重ね合わせた構成とした。具体的には、収縮吸収部5の一端側に取付片5bを設けており、細幅部4の中間部の外周に取付片5bを溶接などにて固定させている。従って、細幅部4の常温側端部は、収縮吸収部5内に位置する。収縮吸収部5の他端側には、ブッシング10のフランジ13に固定するフランジ5cを有する。収縮吸収部5のフランジ5cをブッシング10のフランジ13に固定し、フランジ13を真空容器20に固定することで、冷媒槽1は、真空容器20に固定される。これらフランジ5c,13間、フランジ5cと真空容器20間が低温側(冷媒槽1)と常温側(碍管30)との境界となる。そこで、これらフランジ5c,13間、及びフランジ5cと真空容器20間には、それぞれシール部材60,61を配置して気密にしている。なお、真空容器20と碍管30間にもシール部材62を配置して、絶縁流体が碍管30の外部に漏洩することを防止している。これらシール部材60〜62は、金属シールとした。
本例では、細幅部4の内面4aとブッシング10の外周11aとの間隔tを2.5mm、細幅部4の長さl1を400mm、収縮吸収部5においてベローズ管の長さl2を160mm、ベローズ管の最大部の外径を170mm、管状部1bの長さLを450mmとした。
また、本例では、細幅部4の内側の空間において、冷媒側の一部に液体窒素が充填されており、細幅部4の常温側の他部及び収縮吸収部5に窒素ガスが充填されている。即ち、細幅部4の内側の空間に液体窒素と窒素ガスとの境界が存在する。このような状態は、以下の手順にて冷媒を冷媒槽1に充填することで行った。まず、冷媒槽1に液体窒素を導入する前、冷媒槽1内の水分などを除去するために窒素ガスを充填した後、液体窒素を供給すると共に、細幅部4内の空間に一部に窒素ガスを残留させる。このとき、冷媒槽1内における液体窒素の圧力が約0.5MPaとなるように液体窒素を冷媒槽1に導入して冷媒槽1を密閉する。この構成により、細幅部4内の空間では、窒素ガス自身の圧力で気体状態が維持されると共に、窒素ガスの圧力と液体窒素の圧力とがほぼ平衡する。このような細幅部4を具えることで、気体冷媒領域を過剰に大きくすることなく低温側から常温側に向かって十分な温度勾配を設けることができる。そのため、上記残留させた窒素ガスは、常温側からの侵入熱により気体の状態が維持され、液体窒素は、液体の状態が維持される。また、常温側と低温側との境界、具体的には、フランジ5c,13間に配置したシール部材60は、組み立ててからの温度変化がすくなく、シール特性が劣化されることを効果的に防止することができる。従って、本発明超電導ケーブルの端末構造は、長期の使用に亘り、常温側と低温側間の気密状態を保持することができる。
また、冷媒槽1に液体窒素を導入することで冷媒槽1が冷却されると、冷媒槽1は熱収縮しようとするため、ほぼ大気温度にある真空容器20と冷媒槽1との間で熱応力が発生する。このとき、冷媒槽1は、フランジ5cを介して真空容器20に固定されているため、この熱応力により、冷媒槽1の固定が外れるなどの不具合が生じる恐れがある。しかし、本発明は、収縮吸収部5を有していることで、収縮吸収部5により収縮を吸収することができる。従って、本発明超電導ケーブルの端末構造では、冷媒により冷媒槽が冷却されて熱収縮を生じた際、収縮に伴う不具合を防止することができる。特に、本例では、収縮吸収部5を冷媒槽1の管状部1bの常温側に設けていることで、熱収縮を吸収する際、収縮吸収部5が変形しやすく、また、液体冷媒の液面が常温側に上昇する量を低減することができる。
更に、本発明超電導ケーブルの端末構造では、気体冷媒領域内の気体冷媒を気体の状態に維持するための加圧機を必要としないため、加圧設備を削減することができ、より小型化することが可能である。
(試験例)
上記実施例1のブッシングを用いて、細幅部の大きさ(間隔t及び長さl1)を変化させて、フランジ間に配置されるシール部材の劣化状態を調べてみた。液体窒素の圧力は、間隔t及び長さl1に応じて0.3〜0.5MPaの範囲で変化させた。上記条件で60時間保持させた後、間隔tが0.1〜2.5mm、長さl1が300〜500mmの場合、気体のリークが無く、十分なシール性能を有することがわかった。また、間隔tが小さいほど、長さl1を大きくしたほうが温度勾配をとりやすいことがわかった。更に、間隔tをより小さくする場合、ブッシングの外周をステンレスといった金属材料にて被覆することが好ましいことがわかった。なお、冷媒を循環させる構成の場合、液体窒素の圧力は、窒素ガスの圧力と平衡するように、間隔t及び長さl1に応じて0.3〜0.5MPaの範囲で調整するとよい。
上記実施例1のブッシングを用いて、細幅部の大きさ(間隔t及び長さl1)を変化させて、フランジ間に配置されるシール部材の劣化状態を調べてみた。液体窒素の圧力は、間隔t及び長さl1に応じて0.3〜0.5MPaの範囲で変化させた。上記条件で60時間保持させた後、間隔tが0.1〜2.5mm、長さl1が300〜500mmの場合、気体のリークが無く、十分なシール性能を有することがわかった。また、間隔tが小さいほど、長さl1を大きくしたほうが温度勾配をとりやすいことがわかった。更に、間隔tをより小さくする場合、ブッシングの外周をステンレスといった金属材料にて被覆することが好ましいことがわかった。なお、冷媒を循環させる構成の場合、液体窒素の圧力は、窒素ガスの圧力と平衡するように、間隔t及び長さl1に応じて0.3〜0.5MPaの範囲で調整するとよい。
上記構成に加えて、常温側に液体冷媒が漏れ出るのをより効果的に防止するために漏洩防止部材を配置してもよい。この漏洩防止部材は、液体冷媒領域と気体冷媒領域との境界近傍に配置する構成が挙げられる。形状は、ブッシング10の外周に配置しやすいようにリング状とすることが挙げられる。形成材料としては、液体窒素に対する耐性に優れるシリコン樹脂が挙げられる。
このような漏洩防止部材を配置することで、液体冷媒が常温側に漏洩するのを抑制すると共に、フランジのシール部材が液体冷媒と接触して冷却されることを防止することができる。なお、この漏洩防止部材は、液体冷媒領域と気体冷媒領域との間を完全に封止するものではなく、液体冷媒の圧力が気体冷媒に加えられる大きさとする。
本発明端末構造は、超電導ケーブルの終端部に適用することが好適である。また、この本発明端末構造は、直流送電、交流送電のいずれにも適用することができる。
1 冷媒槽 1a 本体部 1b 管状部 2 液体冷媒 3 気体冷媒 4 細幅部
5 収縮吸収部 5a ベローズ管 5b 取付片 5c フランジ
10 ブッシング 11 導体部 12 固体絶縁層 13 フランジ
20 真空容器 21 真空断熱層 30 碍管
50 超電導ケーブル 51 超電導導体 52 ケーブルコア 53 断熱管
53a 内管 53b 外管 54 ジョイント 55 接続導体 60〜62 シール部材
100 超電導ケーブル 101 冷媒槽 102 ブッシング 102a 導体部
102b 固体絶縁層 102c,102d フランジ 103 真空容器 103a 中間真空部
104 碍管
105 ジョイント
5 収縮吸収部 5a ベローズ管 5b 取付片 5c フランジ
10 ブッシング 11 導体部 12 固体絶縁層 13 フランジ
20 真空容器 21 真空断熱層 30 碍管
50 超電導ケーブル 51 超電導導体 52 ケーブルコア 53 断熱管
53a 内管 53b 外管 54 ジョイント 55 接続導体 60〜62 シール部材
100 超電導ケーブル 101 冷媒槽 102 ブッシング 102a 導体部
102b 固体絶縁層 102c,102d フランジ 103 真空容器 103a 中間真空部
104 碍管
105 ジョイント
Claims (5)
- 常温側と超電導ケーブルの端部が配される低温側との間でブッシングを介して電力の出入力を行う超電導ケーブルの端末構造であって、
低温側には、ブッシングを冷却する液体冷媒と気体冷媒とが充填される冷媒槽を具え、
前記冷媒槽は、冷媒によって冷媒槽が熱収縮する際の収縮を吸収する収縮吸収部を具えることを特徴とする超電導ケーブルの端末構造。 - 冷媒槽には、細幅部を具え、
この細幅部の内面とブッシングの外周との間隔が加圧機により加圧することなく気体状態が維持される大きさで、かつ気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力とが平衡する大きさであり、液体冷媒と気体冷媒との境界が存在することを特徴とする請求項1に記載の超電導ケーブルの端末構造。 - 冷媒槽は、ブッシングの端部が収納される本体部と、ブッシングの中間部が収納される管状部とを具え、
前記管状部の少なくとも一部に細幅部を具えることを特徴とする請求項2に記載の超電導ケーブルの端末構造。 - 冷媒槽は、ブッシングの端部が収納される本体部と、ブッシングの中間部が収納される管状部とを具え、
前記管状部には、細幅部及び収縮吸収部を具えており、
細幅部は、長手方向において表面が平滑なフラット管にて形成され、
収縮吸収部は、長手方向に凹凸を有するベローズ管にて形成されることを特徴とする請求項2に記載の超電導ケーブルの端末構造。 - ベローズ管の内側にフラット管の一部が重複するようにフラット管とベローズ管とが配置されることを特徴とする請求項4に記載の超電導ケーブルの端末構造。
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