JP2016046994A - 挿入型接続構造、冷媒配管、および超電導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒容器とその開口端に挿入される挿入部材との間に形成されるクリアランスに適切な温度勾配を形成する挿入型接続構造を提供する。【解決手段】内部に極低温の液体冷媒が配置される冷媒容器１１と、一部がその開口端内に挿入される挿入部材１２と、を接続することで構成され、冷媒容器１１と挿入部材１２とが挿入軸方向にオーバーラップする部分に形成されるクリアランス１０ｃのうち、挿入軸方向における冷媒容器１１が配置される側が極低温となり、挿入部材１２が配置される側が非極低温となる挿入型接続構造である。この挿入型接続構造は、クリアランス１０ｃにおける極低温側の液体冷媒に接触する位置に設けられ、当該位置におけるクリアランス１０ｃの周方向の一部に冷媒流入口１３eを形成する流入口形成部材を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、内部に極低温の液体冷媒が配置された状態で使用される挿入型接続構造、およびその挿入型接続構造を用いた冷媒配管と超電導機器に関するものである。

内部に極低温の液体冷媒が配置される冷媒容器と、一部がその冷媒容器の開口端内に挿入される挿入部材と、とを接続することで構成され、冷媒容器と前記挿入部材とが挿入軸方向にオーバーラップする部分にクリアランスが形成される挿入型接続構造が知られている。この挿入型接続構造では、クリアランスのうち、挿入軸方向における冷媒容器が配置される側が極低温となり、挿入軸方向における挿入部材が配置される側が非極低温となる。例えば、特許文献１には、超電導ケーブルの端末構造に上記挿入型接続構造を適用した例が示されている。

図８は、超電導ケーブルＳＣと常電導リード２とを繋ぐ超電導ケーブルの端末構造１００の概略半縦断面図である。超電導ケーブルＳＣは、二重管構造（図面上では簡略化して単管構造で示す）のケーブル断熱管５の内部にケーブルコア４を収納した構成を備える。代表的なケーブルコア４は、フォーマ、超電導導体層４１、内部半導電層、ケーブル絶縁層４２、外部半導電層、ケーブル遮蔽層４３、保護層を有している（図面上は、層４１，４２，４３のみを図示する）。

極低温で利用される超電導ケーブルＳＣの端末構造１００は、ケーブル側断熱容器３１、リード側断熱容器３２、および絶縁部材３３で構成される継手状の断熱構造体３を備える。ケーブル側断熱容器３１は、超電導ケーブルＳＣのケーブル断熱管５のリード方向端部に設けられている。リード側断熱容器３２は、常電導リード２のコア方向端部に取り付けられている。リード側断熱容器３２のコア方向端部は、ケーブル側断熱容器３１のリード方向端部に挿入されており、両断熱容器３１，３２の端部同士が、両断熱容器３１，３２の挿入軸方向（紙面上下方向）にオーバーラップしている。絶縁部材３３は、ケーブル側断熱容器３１とリード側断熱容器３２とのオーバーラップ部分に介在され、接地電位となっているケーブル側断熱容器３１と、高電位となっているリード側断熱容器３２と、の間で所定の絶縁性能を発揮する。この絶縁部材３３はリード側断熱容器３２に一体に形成されている。なお、絶縁部材３３はケーブル側断熱容器３１に一体に形成されている形態であっても構わない。

上記構成では、絶縁部材３３とケーブル側断熱容器３１との間、およびリード側断熱容器３２と常電導リード２との間に、クリアランス（部材間の径方向の間隙）が形成される。つまり、この端末構造１００では、ケーブル側断熱容器３１の開口端に絶縁部材３３の一部を挿入した挿入型接続構造と、リード側断熱容器３２の開口端に常電導リード２の一部を挿入した挿入型接続構造と、が形成されていると考えて良い。因みに、絶縁部材３３がケーブル側断熱容器３１に一体に形成されている場合、絶縁部材３３の開口端にリード側断熱容器３２を挿入した挿入型接続構造が形成される。

挿入型接続構造のクリアランスのうち、部材の挿入軸方向におけるケーブル側（紙面下側）の端部は、断熱構造体３の内部に面しており、液体冷媒１０Ｌによって極低温状態になっている。一方、クリアランスのうち、上記挿入軸方向におけるリード側（紙面上側）の端部は、断熱構造体３の外部に面しており、上記極低温よりも温度が高い非極低温状態になっている。クリアランスの非極低温側１ＨＳの端部近傍はシールされ、断熱構造体３の内部と外部とがクリアランスを介して連通しないようになっている。

上記クリアランスにおいては、クリアランスの非極低温側１ＨＳからの熱侵入がある。そのため、極低温側１ＬＳからクリアランスに浸入した液体冷媒１０Ｌは、非極低温側１ＨＳからの熱侵入によって気化し、当該クリアランスには挿入軸方向に沿った温度勾配が形成される。この温度勾配が急であるとクリアランスを介した熱の移動が大きくなり、温度勾配が緩いとクリアランスを介した熱の移動が小さくなる。

特開２０１３−５９２１１号公報

上記クリアランスにおける液体冷媒と気化ガスとの境界位置を安定させ、クリアランスに緩やかな温度勾配を形成するには、挿入軸方向のクリアランスの長さを同じとした場合、クリアランスに存在し得る液体冷媒と気化ガスを少なくすること、即ちクリアランスをできるだけ狭くすることが有効である。しかしながら、断熱容器を大きくする場合など、各構成部材の寸法のばらつきや変歪などが生じても冷媒容器の端部に挿入部材を挿入できるように、上記クリアランスを大きくせざるを得ない。クリアランスが大きくなると、クリアランスに緩やかな温度勾配を形成することが難しく、クリアランスを介した熱侵入が増加するなどの問題が生じる。

また、挿入軸方向が水平方向に向いているなど、挿入軸方向が鉛直方向から傾いている場合、挿入型接続構造の内部に液体冷媒を満たしていったときに、クリアランスのうちの鉛直下方側の部分からクリアランス内に液体冷媒が流入する。クリアランス内で液体冷媒が気化するが、その気化ガスはクリアランスの鉛直上方側から挿入型接続構造の内部に逃げるため、クリアランスの鉛直下方側から流入する液体冷媒を押し戻す力が働き難い。そのため、クリアランスへの液体冷媒の流入が抑制され難く、クリアランスに緩やかな温度勾配を形成することが難しい。同様に、挿入軸方向が鉛直方向であっても、クリアランスの非極低温側が鉛直下方を向いている場合（つまり、図８の構成が上下反対となっている場合）、クリアランスへの液体冷媒の流入が抑制され難いため、クリアランスに緩やかな温度勾配を形成することが難しい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、冷媒容器とその冷媒容器の開口端に挿入される挿入部材との間に形成されるクリアランスに緩やかな温度勾配を形成することができる挿入型接続構造を提供することにある。

本発明の一態様に係る挿入型接続構造は、内部に極低温の液体冷媒が配置される冷媒容器と、一部がその冷媒容器の開口端内に挿入される挿入部材と、を接続することで構成され、前記冷媒容器と前記挿入部材とが挿入軸方向にオーバーラップする部分に形成されるクリアランスのうち、前記挿入軸方向における前記冷媒容器が配置される側が極低温となり、前記挿入部材が配置される側が非極低温となる挿入型接続構造に係る。この挿入型接続構造は、前記クリアランスにおける前記極低温側の前記液体冷媒に接触する位置に設けられ、当該位置における前記クリアランスの周方向の一部に冷媒流入口を形成する流入口形成部材を備える。

上記挿入型接続構造によれば、冷媒容器と挿入部材とのクリアランスに緩やかな温度勾配を形成することができる。

挿入型接続構造の基本構成を示す概略縦断面図である。 実施形態１に示す中空長尺体を用いた挿入型接続構造の概略説明図である。 隘路における液体冷媒の状態を説明する概略説明図である。 実施形態３に示す波付き板材を用いた挿入型接続構造の概略説明図である。 実施形態４に示す中実長尺体を用いた挿入型接続構造の概略説明図である。 実施形態５に示すシール部材を用いた挿入型接続構造の概略説明図である。 実施形態７に示す挿入型接続構造であって、超電導ケーブルの端末構造に適用された挿入型接続構造の概略説明図である。 超電導ケーブルの端末構造における従来の挿入型接続構造の概略説明図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明に係る実施形態の内容を列記して説明する。

＜１＞実施形態の挿入型接続構造は、内部に極低温の液体冷媒が配置される冷媒容器と、一部がその冷媒容器の開口端内に挿入される挿入部材と、を接続することで構成され、前記冷媒容器と前記挿入部材とが挿入軸方向にオーバーラップする部分に形成されるクリアランスのうち、前記挿入軸方向における前記冷媒容器が配置される側が極低温となり、前記挿入部材が配置される側が非極低温となる挿入型接続構造に係る。この挿入型接続構造は、前記クリアランスにおける前記極低温側の前記液体冷媒に接触する位置に設けられ、当該位置における前記クリアランスの周方向の一部に冷媒流入口を形成する流入口形成部材を備える。

クリアランスに液体冷媒が浸入すると、液体冷媒がクリアランスのガス部の温度を下げると共に、液体冷媒が気化する。この気化ガスがクリアランスのガス部の体積を増加させる。液体冷媒の気化とガス部の液化とがバランスを取りながら、クリアランスの液体冷媒とガス部との境界が維持される。液体冷媒とガス部との熱の遣り取りは、クリアランス部の液体冷媒とガス部との境界の移動に伴うもので、移動する液体冷媒の体積に応じた熱収支が発生する。移動する液体冷媒の体積が小さいと、熱収支も小さくなり、上記境界の位置が安定する。従って、上記実施形態に係る挿入型接続構造のように、クリアランスにおける液体冷媒が接触する位置に流入口形成部材を配置し、狭小な冷媒流入口を形成することで、液体冷媒とガス部との境界の位置を極低温側寄りの位置で安定させることができる。その結果、クリアランスの温度勾配を緩やかにでき、侵入熱の増加を抑制することができる。

＜２＞実施形態の挿入型接続構造の一形態として、前記流入口形成部材は、前記クリアランスを周方向に仕切ることで前記極低温側から前記非極低温側に向かって伸びる隘路を形成する仕切り部材であって、前記隘路の前記極低温側の端部によって前記冷媒流入口が形成されている形態を挙げることができる。この形態の挿入型接続構造では、前記隘路のうち、前記非極低温側の端部が閉塞されている。

非極低温側が閉塞された隘路を形成することで、極低温側から隘路内に浸入した液体冷媒が気化したとき、隘路内のガス部の体積が膨張し、ガス部によって液体冷媒が極低温側に押される。その結果、隘路内の液体冷媒とガス部との境界、即ちクリアランス内の液体冷媒とガス部との境界が、極低温側寄りの位置で安定する。この隘路の断面積を所定の断面積以下とすれば、表面張力の作用によって隘路内に液体冷媒を浸入し難くすることができる。

＜３＞仕切り部材を備える実施形態の挿入型接続構造の一形態として、前記仕切り部材は、中空長尺体である形態を挙げることができる。

中空長尺体を、その孔の軸方向が挿入型接続構造の挿入軸方向に沿うようにクリアランスに配置することで、クリアランスにおける極低温側から非極低温側に向かって伸びる隘路を形成することができる。例えば、クリアランスの周方向に複数の中空長尺体を配置すれば、各中空長尺体の孔と、隣接する中空長尺体間の隙間が、隘路となる。中空長尺体は、厚み方向に弾性を有するものであることが好ましく、その中空長尺体を変形させた状態でクリアランスに挿入することが好ましい。これは、後述する実施形態１に示すように、クリアランスを形成する部材に、中空長尺体の外周面を密着させることができ、隣接する中空長尺体間の隙間で構成される各隘路が繋がることを抑制できるからである。また、中空長尺体の変形は、クリアランスの体積を小さくことにも寄与する。

＜４＞仕切り部材を備える実施形態の挿入型接続構造の一形態として、前記仕切り部材は、波付き板材である形態を挙げることができる。

波付き板材を、その山部の延伸方向が挿入型接続構造の挿入軸方向に沿うようにクリアランスに配置することで、挿入軸方向に沿う複数のクリアランスを形成することができる。具体的には、波付き板材における隣接する山部で囲まれる空間によって形成される隘路が、クリアランスに形成される。波付き板材は、コルゲート板のように板材の両面に波形状が形成されているものでも良いし、板材の片面にのみ波形状が形成されているものでも良い。波付き板材も、厚み方向に弾性を有するものであることが好ましく、その波付き板材を変形させた状態でクリアランスに挿入することが好ましい。

＜５＞仕切り部材を備える実施形態の挿入型接続構造の一形態として、前記流入口形成部材は、前記クリアランスに螺旋状に設けられることで前記極低温側から前記非極低温側に向かって螺旋状に伸びる隘路を形成する仕切り部材であって、前記隘路の前記極低温側の端部によって前記冷媒流入口が形成されている形態を挙げることができる。この形態の挿入型接続構造では、前記隘路のうち、前記非極低温側の端部が閉塞されている。

極低温側から非極低温側に向かって螺旋状に伸びる隘路を形成し、その隘路の非極低温部側の端部を閉塞させることで、上記＜２＞の構成と同様の理由により、クリアランス内の液体冷媒とガス部との境界が、極低温側寄りの位置で安定する。後述する実施形態４に示すように、この構成は特に、挿入軸方向が鉛直方向から傾いているときに有効である。

＜６＞仕切り部材を備える実施形態の挿入型接続構造の一形態として、前記隘路の前記非極低温側の端部を閉塞させる閉塞部材を備える形態を挙げることができる。

仕切り部材によって形成される隘路の非極低温側は、例えば仕切り部材の非極低温側を捻じったり折り曲げたりすることで閉塞させることができる。しかし、このような手法では、隘路が十分に閉塞されなかったり、経時的に閉塞状態が解消されたりする可能性もある。このような問題に対して、隘路の非極低温側を閉塞させるために仕切り部材とは別部材である閉塞部材を用いることで、隘路の非極低温側の端部を確実に閉塞させることができる。

＜７＞仕切り部材を備える実施形態の挿入型接続構造の一形態として、前記閉塞部材は、前記隘路における前記非極低温側の端部の位置に注入される高粘度材で構成される形態を挙げることができる。

高粘度材は、隘路の非極低温部側の端部に注入し易く、また当該端部を隙間無く閉塞させることが容易であるため、好ましい。

＜８＞実施形態の挿入型接続構造の一形態として、前記挿入軸方向が鉛直方向から傾いており、前記クリアランスの前記極低温側の端部をシールするシール部材で構成される前記流入口形成部材を備え、前記シール部材は、その鉛直方向の下端の位置に前記冷媒流入口となる連通孔を備える形態を挙げることができる。

課題の欄で既に説明したように、挿入型接続構造の挿入軸方向が水平方向に向いているなど、挿入軸方向が鉛直方向から傾いている場合、クリアランスへの液体冷媒の流入が抑制され難い。このような問題に対して、上記＜７＞の構成では、クリアランスの極低温側の端部をシール部材で封止すると共に、シール部材の鉛直方向の下端の位置に敢えて連通孔（冷媒流入口）を形成している。このような構成であれば、連通孔からクリアランス内に液体冷媒が流入し、クリアランス内で液体冷媒が気化したとき、その気化ガスの冷媒容器内への放出をシール部材が遮っているため、クリアランス内の圧力が増加し、液体冷媒をクリアランス外に押し出す力が発生する。その結果、クリアランスにおける液体冷媒の量を少なくすることができる。さらに＜８＞の構成では、シール部材に敢えて連通孔を形成することで、シール部材の損壊する可能性を低減できる。仮に、シール部材に連通孔を形成しなかった場合、シール部材の一面側と他面側とに過大な圧力差が生じて、シール部材が損壊する恐れがある。このシール部材は、仕切り部材と併用することが好ましい。

＜９＞実施形態に係る冷媒配管は、管状の断熱容器を複数繋ぎ合わせて構成される冷媒配管であって、繋ぎ合わされる二つの前記断熱容器の接続構造に、上記実施形態の挿入型接続構造を用いた冷媒配管である。

冷媒配管における管状の断熱容器の継手構造に実施形態の挿入型接続構造を適用することで、二つの断熱容器の繋ぎ目を介した熱侵入の増加を抑制することができる。

＜１０＞実施形態に係る超電導機器は、超電導部材と、前記超電導部材の外周を覆う真空断熱構造と、を備える超電導機器であって、前記真空断熱構造の一部に、上記実施形態の挿入型接続構造を用いた超電導機器である。

超電導機器の真空断熱構造に実施形態の挿入型接続構造を適用することで、真空断熱構造における二つの断熱容器の繋ぎ目を介した熱侵入の増加を抑制することができる。

＜１１＞実施形態の超電導機器の一形態として、前記超電導部材が超電導ケーブルのケーブルコアである形態を挙げることができる。

超電導ケーブルを用いた電力線路（超電導機器）に実施形態の挿入型接続構造を適用することで、超電導ケーブルへの侵入熱を低減することができる。適用箇所は、電力線路の中間接続部でも良いし、端末接続部でも良い。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、実施形態に係る挿入型接続構造、およびその挿入型接続構造を用いた冷媒配管を説明する。加えて、挿入型接続構造を用いた超電導機器の一例として、実施形態に係る挿入型接続構造を用いた超電導ケーブルの端末構造を説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるわけではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。

＜実施形態１＞
実施形態１では、極低温の液体冷媒を流通させる冷媒配管における入れ子状の継手構造に、実施形態の挿入型接続構造を適用した例を説明する。その説明にあたり、まず継手構造の一般的な基本構成を図１に基づいて説明し、その問題点を指摘する。次いで基本構造の問題点を解決する構成を図２、図３に基づいて説明する。

≪基本構成≫
図１は、二つの真空断熱管を繋ぎ合わせた継手構造（以下、挿入型接続構造１）の基本構成を示す概略縦断面図である。この図１では挿入型接続構造１の各部の寸法を誇張して示しており、挿入型接続構造１の連結を維持する部材などは図示を省略している。図１に示すように、挿入型接続構造１では、真空断熱管（冷媒容器）１１の端部に、真空断熱管（挿入部材）１２の端部を挿入し、両真空断熱管１１，１２の端部同士を挿入軸方向にオーバーラップさせて接続している。冷媒配管に適用されるこの挿入型接続構造１の内部には、例えば液体窒素などの極低温の液体冷媒１０Ｌが流通される。

この挿入型接続構造１では、真空断熱管１１と真空断熱管１２とがオーバーラップする部分で、真空断熱管１１の内周面と真空断熱管１２の外周面との間にクリアランス１０ｃが形成されている。クリアランス１０ｃのうち、真空断熱管１１，１２の挿入軸方向（紙面左右方向）における挿入型接続構造１の内部に面する側、即ち真空断熱管１１が配置される側は、液体冷媒１０Ｌによって極低温となっている。一方、クリアランス１０ｃのうち、挿入軸方向における挿入型接続構造１の外部に面する側、即ち真空断熱管１２が配置される側は図示しないシール構造でシールされており、クリアランス１０ｃを介して液体冷媒１０Ｌが漏れないようになっている。クリアランス１０ｃ内に浸入した液体冷媒１０Ｌの一部は気化しており、クリアランス１０ｃには気化ガス１０Ｇが存在している。以降、挿入軸方向における挿入型接続構造１の内部に面する側を極低温側１ＬＳ、挿入型接続構造１の外部に面する側を非極低温側１ＨＳとする。

上記クリアランス１０ｃでは、クリアランス１０ｃへ流入する液体冷媒１０Ｌを気化ガス１０Ｇが押し返しており、クリアランス１０ｃの極低温側１ＬＳから非極低温側１ＨＳに向かって徐々に温度が高くなる温度勾配が形成されている。この温度勾配によって、クリアランス１０ｃを介した挿入型接続構造１内部への熱侵入の増加を抑制している。液体冷媒１０Ｌと気化ガス１０Ｇとの境界位置が非極低温側１ＨＳに移動するほど、クリアランス１０ｃに形成される温度勾配が急になり、熱侵入の増加を抑制する効果が小さくなる。

上記クリアランス１０ｃは、真空断熱管１１の端部の内径と、真空断熱管１２の端部の外径と、の寸法差によって形成される。特に、両真空断熱管１１，１２の管径が大きくなると、真空断熱管１１への真空断熱管１２の嵌め込み性を考慮して、上記寸法差を大きめに設定する必要がある。上記寸法差を大きくすれば、クリアランス１０ｃが大きくなり、クリアランス１０ｃを介した熱侵入が大きくなる。

≪基本構造の問題点を解決する構成≫
上記基本構成の問題点を解決するために、本例では、図２に示すようにクリアランス１０ｃに複数の中空長尺体１３を挿入した挿入型接続構造１αとした。図２は、クリアランス１０ｃにおける中空長尺体１３の配置状態を模式的に示す挿入型接続構造１αの概略説明図である。図２では、真空断熱管１１を点線で示すと共に、クリアランス１０ｃを誇張して示している。

中空長尺体１３は、クリアランス１０ｃを周方向に仕切る仕切り部材であって、本例では、クリアランス１０ｃの周方向に沿って複数並べられている。複数の中空長尺体１３は、それぞれ独立していても良いし、シート材の一面側に一体に形成されていても良い。この中空長尺体１３は、極低温側１ＬＳから非極低温側１ＨＳに向かって伸びる複数の隘路１３ｉを形成すると共に、クリアランス１０ｃの容積を減じる機能を持つ。中空長尺体１３によって形成される隘路１３ｉの極低温側１ＬＳの端部であって液体冷媒１０Ｌに接触する部分は、挿入型接続構造１αの内部からクリアランス１０ｃに向かう液体冷媒１０Ｌの流入を許容する冷媒流入口１３ｅとして機能する。冷媒流入口１３ｅは、クリアランス１０ｃの横断面（断熱管１１，１２の挿入軸方向の直交する断面）の面積に比べて狭小なスポット状となっている。

中空長尺体１３によって形成される隘路１３ｉについて、図２の丸囲み拡大図を用いてより詳しく説明する。まず、中空長尺体１３は、その長手方向に沿って伸びる中空孔を有しており、その中空孔によって隘路１３ｉが形成されている（合わせて図３を参照）。加えて、本例における中空長尺体１３は弾性変形して真空断熱管１１の内周面および真空断熱管１２の外周面に密着しており、そのため隣接する中空長尺体１３の隙間によっても隘路１３ｉが形成されている。

隘路１３ｉの極低温側１ＬＳの端部開口部である冷媒流入口１３ｅは、クリアランス１０ｃへの液体冷媒１０Ｌの流入を抑制する機能を持つ。冷媒流入口１３ｅの面積が小さくなるほど、表面張力の影響が強くなって、冷媒流入口１３ｅを介した液体冷媒１０Ｌの流入が抑制され易くなる。冷媒流入口１３ｅの面積は、２０ｍｍ^２以下とすることが好ましく、１５ｍｍ^２以下とすることがより好ましく、１０ｍｍ^２以下とすることが最も好ましい。

一方、隘路１３ｉの非極低温側１ＨＳの部分には、図３の縦断面図に示すように閉塞部材１３ｓが設けられている。閉塞部材１３ｓは、隘路１３ｉ内に流入した液体冷媒１０Ｌが気化することで発生した気化ガス１０Ｇを隘路１３ｉ内に封止する機能を持つ。この閉塞部材１３ｓは、中空長尺体１３に予め設けられていても良いし、中空長尺体１３をクリアランス１０ｃに挿入した後に形成されていても良い。例えば、シリコーングリースなどの高粘度材で閉塞部材１３ｓを形成することが好ましい。高粘度材であれば、クリアランス１０ｃに中空長尺体１３を挿入した後、クリアランス１０ｃの非極低温側１ＨＳから高粘度材を注入するだけで、閉塞部材１３ｓを形成することができる。また、高粘度材をクリアランス１０ｃに注入する方法であれば、隣接する中空長尺体１３の隙間（図２の丸囲み拡大図参照）に形成される隘路１３ｉの非極低温側１ＨＳの端部も同時に閉塞させることができる。その他、図２に示すクリアランス１０ｃの非極低温側１ＨＳの端部にリング状シール部材を押し込むなどして、当該端部を閉塞させても構わない。非極低温側に配置される閉塞部材には、中空長尺体１３に求められるほどの極低温耐性は要求されない。なお、非極低温側１ＨＳに注入する材料の量を多くしてクリアランス１０ｃ内の容積を減じることで、液体冷媒１０Ｌと気化ガス１０Ｇとの境界の位置を、より極低温側１ＬＳ寄りの位置にする効果が期待できる。

上記隘路１３ｉを形成する中空長尺体１３は、液体冷媒によって変質せず、クリアランス１０ｃへの挿入を容易にする弾性をもった材料で構成すると良い。例えば、シリコーンゴムや、フッ素樹脂、カーボンファイバなどを中空長尺体１３の材料として利用することができる。また、中空長尺体１３の材料として、細い繊維状の樹脂（例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなど）を織物状にした後、それを一枚あるいは複数枚重ねてプレスしたものや、パイプ状にしたものを利用することもできる。繊維状の樹脂にすることで極低温でも使用可能になり、また中空長尺体１３の弾性を高めることができる。弾性を持った中空長尺体１３であれば、偏平させた状態でクリアランス１０ｃに中空長尺体１３を挿入することができ、挿入した中空長尺体１３を両断熱管１１，１２に密着させることができる。

中空長尺体１３の寸法は、クリアランス１０ｃに応じて適宜選択することができる。例えば、中空長尺体１３の長さは、クリアランス１０ｃの長さ（紙面左右方向の長さ）より短くても、同じでも、長くても良い。但し、中空長尺体１３の端部（冷媒流入口１３ｅ）が、クリアランス１０ｃの極低温側１ＬＳの端部近傍に配置されるように、中空長尺体１３の長さを選択することが好ましい。また、中空長尺体１３に形成される中空孔の断面積は、例えば、２０ｍｍ^２以下とすることが好ましい。但し、弾性の中空長尺体１３を用いる場合、クリアランス１０ｃに挿入された中空長尺体１３の中空孔が変形するため、上記中空孔の好ましい断面積はあくまで目安である。

クリアランス１０ｃへの中空長尺体１３の配置方法は特に限定されない。例えば、真空断熱管１１の端部に真空断熱管１２を挿入した後、クリアランス１０ｃに中空長尺体１３を挿入することで、クリアランス１０ｃに中空長尺体１３を配置することができる。あるいは、真空断熱管１１の端部内周面に中空長尺体１３を係止させた状態で真空断熱管１１の端部に真空断熱管１２を挿入する、あるいは真空断熱管１２の端部外周面に中空長尺体１３を係止させた状態で真空断熱管１１の端部に真空断熱管１２を挿入することで、クリアランス１０ｃに中空長尺体１３を配置することもできる。断熱管１１，１２に中空長尺体１３を係止させるには、例えば断熱管１１，１２に中空長尺体１３を嵌め込む凹部を形成するなどすれば良い。

≪実施形態の効果≫
以上説明した挿入型接続構造１αによれば、クリアランス１０ｃに緩やかな温度勾配を形成することができる。その主な理由は以下の通りである。

実施形態１の挿入型接続構造１では、クリアランス１０ｃに中空長尺体１３を挿入することで、クリアランス１０ｃの極低温側１ＬＳの液体冷媒１０Ｌに接触する位置に、クリアランス１０ｃの横断面の面積よりも狭い冷媒流入口１３ｅを形成している。狭小な冷媒流入口１３ｅでは表面張力の影響が強く、そのため冷媒流入口１３ｅを介してクリアランス１０ｃ内に液体冷媒１０Ｌが流入し難い。

また、実施形態の挿入型接続構造１では、クリアランス１０ｃに複数の隘路１３ｉが形成され、その隘路１３ｉの非極低温側１ＨＳが閉塞部材１３ｓ（図３参照）で封止されており、その構成によってクリアランス１０ｃ内での液体冷媒１０Ｌと気化ガス１０Ｇとの境界の位置を安定させることができる。例えば、図３に示す中空長尺体１３の内部に形成される隘路１３ｉを例にして説明すれば、冷媒流入口１３ｅを介して隘路１３ｉ内（即ち、クリアランス１０ｃ内）に液体冷媒１０Ｌが流入すると、液体冷媒１０Ｌが気化して気化ガス１０Ｇが発生する。隘路１３ｉの非極低温側１ＨＳの端部は閉塞部材１３ｓで封止されているため、気化ガス１０Ｇは隘路１３ｉ外に逃げることができず、液体冷媒１０Ｌを冷媒流入口１３ｅ側に強く押し戻す。そのため、クリアランス１０ｃに液体冷媒１０Ｌが浸入し難く、クリアランス１０ｃにおける液体冷媒１０Ｌと気化ガス１０Ｇとの境界位置が、従来の構成よりもクリアランス１０ｃの極低温側１ＬＳの位置で安定する。その結果、クリアランス１０ｃに緩やかな温度勾配が形成され、クリアランスを介した熱侵入の増加を抑制することができる。

さらに、実施形態１の挿入型接続構造１では、クリアランス１０ｃに複数の中空長尺体１３が挿入されており、クリアランス１０ｃの容積が減じられている。つまり、中空長尺体１３によってクリアランス１０ｃを実質的に小さくすることができる。そのため、クリアランス１０ｃに存在し得る液体冷媒１０Ｌと気化ガス１０Ｇが少なくなり、クリアランス１０ｃを介した熱侵入の増加を抑制することができる。

＜実施形態２＞
実施形態１の中空長尺体１３の代わりに、中実長尺体（仕切り部材）を用いることもできる。その場合、クリアランス１０ｃの幅よりも径の大きな中実長尺体を偏平させた状態でクリアランス１０ｃに挿入すれば、両真空断熱管１１，１２と中実長尺体との間の隙間によって隘路を形成することができる。その結果、実施形態１の構成と同様の効果を得ることができる。

＜実施形態３＞
実施形態３では、クリアランス１０ｃに波付き板材（仕切り部材）１４を挿入した挿入型接続構造１βを図４に基づいて説明する。図４の見方は、実施形態１の図２と同様である。

波付き板材１４は、実施形態１の中空長尺体１３とは異なる形態の仕切り部材であって、中空長尺体１３と同様にクリアランス１０ｃに隘路１４ｉを形成する。本例の波付き板材１４は、その一面側と他面側に波形状が形成されるコルゲート板である。波付き板材１４の材料には、中空長尺体１３に利用できるものと同じものを利用することができる。

上記波付き板材１４をクリアランス１０ｃに挿入した場合、図４の丸囲み拡大図に示すように、真空断熱管１１の内周面に波付き板材１４の一面側の山部が接触すると共に、真空断熱管１２の外周面に波付き板材１４の他面側の山部が接触する。その結果、真空断熱管１１の内周面と波付き板材１４とで囲まれる空間で構成される隘路１４ｉと、真空断熱管１２の外周面と波付き板材１４とで囲まれる空間で構成される隘路１４ｉと、がクリアランス１０ｃに形成される。隘路１４ｉの極低温側１ＬＳの端部は、クリアランス１０ｃ内への液体冷媒１０Ｌの流入を許容する冷媒流入口１４ｅとして機能する。冷媒流入口１４ｅの好ましい面積は、実施形態１で説明した冷媒流入口１３ｅの好ましい面積と同じである。

図示を省略しているが、隘路１４ｉの非極低温側１ＨＳには閉塞部材が設けられている。閉塞部材としては、実施形態１で例示したものを利用することができる。

≪実施形態の効果≫
上記実施形態３の構成においても、波付き板材１４によってクリアランス１０ｃの容積を減じ、かつクリアランス１０ｃの極低温側１ＬＳの液体冷媒１０Ｌに接触する位置に狭小な冷媒流入口１４ｅを形成することができる。そのため、実施形態１と同様に、クリアランス１０ｃを介した熱侵入の増加を抑制することができる。

＜変形実施形態３−１＞
実施形態３の波付き板材１４の代わりに、平面板の一面側にアーチ状の山部を少なくとも一つ並べた片波板を利用することもできる。例えば、平面板の一面側にコルゲート板の一面側の山部を接合することで形成した片波板を利用することができる。このような片波板とする場合、平面板の熱膨張係数が山部の熱膨張係数よりも大きくなるように、両者の材料を異ならせることが好ましい。そのような片波板を極低温に冷却すると、冷却前よりも山部の高さが高くなる。極低温での山部の収縮量よりも平面板の収縮量が大きいため、山部が盛り上がったように変形するからである。このような片波材であれば、クリアランスに挿入し易く、挿入した後に冷却されたときに山部を管壁に密着させることができる。

＜実施形態４＞
実施形態４では、クリアランス１０ｃに中実長尺体（仕切り部材）１５を螺旋状に配置した挿入型接続構造１γを図５に基づいて説明する。図５の見方は、実施形態１の図２と同様である。なお、中実長尺体１５の中間部分は図示を省略している。

中実長尺体１５は、クリアランス１０ｃに螺旋状に配置され、真空断熱管１１の内周面と真空断熱管１２の外周面とに密着している。その結果、クリアランス１０ｃにおける中実長尺体１５の各ターン間の隙間に螺旋状の隘路１５ｉが形成される。螺旋状の隘路１５ｉの極低温側１ＬＳの端部は、クリアランス１０ｃ内への液体冷媒１０Ｌの流入を許容する冷媒流入口１５ｅとして機能する。冷媒流入口１５ｅの好ましい面積は、実施形態１で説明した冷媒流入口１３ｅの好ましい面積と同じである。一方、図示を省略しているが、隘路１５ｉの非極低温側１ＨＳには閉塞部材が設けられている。閉塞部材としては、実施形態１で例示したものを利用することができる。

上記の中実長尺体１５の材料には、中空長尺体１３に利用できるものと同じものを利用することができる。中実長尺体１５に弾性を持たせることで、中実長尺体１５を両断熱管１１，１２に密着させることができ、螺旋状に伸びる隘路１５ｉの各ターンが独立された状態になる。ここで、中実長尺体１５の代わりに、中空長尺体を利用することもできる。

≪実施形態の効果≫
上記実施形態４の構成においても、中実長尺体１５によってクリアランス１０ｃの容積を減じ、かつクリアランス１０ｃの極低温側１ＬＳの液体冷媒１０Ｌに接触する位置に狭小な冷媒流入口１５ｅを形成することができる。そのため、実施形態１と同様に、クリアランス１０ｃを介した熱侵入の増加を抑制することができる。

ここで、挿入軸方向が鉛直方向から傾いている場合、クリアランス１０ｃの鉛直上方側の部分よりも鉛直下方側の部分で、液体冷媒１０Ｌの浸入位置が非極低温側１ＨＳ寄りになり、当該鉛直下方側の部分においてクリアランス１０ｃを介した熱侵入が増加する傾向にある。これに対して、螺旋状に隘路１５ｉが形成されている実施形態５の構成では、液体冷媒１０Ｌが螺旋状に移動するため、クリアランス１０ｃの鉛直上方側と鉛直下方側とで液体冷媒１０Ｌの浸入位置に差ができ難い。そのため、クリアランス１０ｃの鉛直下方側の部分における熱侵入の増加を抑制することができる。

＜実施形態４−１＞
クリアランス１０ｃに螺旋状に配置する中実長尺体１５は、一つである必要はない。例えば、２本、３本、あるいは４本以上の中実長尺体１５を並行に並べた状態でクリアランス１０ｃ内に螺旋状に配置しても良い。つまり、ある中実長尺体１５のターン間に、別の中実長尺体１５のターンが配置された状態としても良い。その場合、互いに独立した複数の螺旋状の隘路１５ｉが形成される。

＜実施形態５＞
実施形態５では、クリアランス１０ｃの極低温側１ＬＳにシール部材１６を設けた挿入型接続構造１δを図６に基づいて説明する。図６の見方は、実施形態１の図２と同様である。

シール部材１６は、クリアランス１０ｃの極低温側１ＬＳの端部をシールする部材であって、本例では真空断熱管１２の極低温側１ＬＳの端部に一体に形成されている。シール部材１６は、シリコーンゴムなどの弾性を有する材料で構成すると良い。そうすることで、真空断熱管１１の端部に真空断熱管１２の端部を挿入する際、シール部材１６によって真空断熱管１１の内周面が損傷し難い。また、シール部材１６が弾性を有することで、シール部材１６が真空断熱管１１の内周面に密着し、クリアランス１０ｃの極低温側１ＬＳを気密にシールすることができる。シール部材１６による気密性を確保するには、シール部材１６の外形を真空断熱管１１の内形と同じかそれ以上の大きさにすると良い。

上記シール部材１６は、その鉛直方向の下端の位置に連通孔１６ｅを備える。この連通孔１６ｅは、挿入型接続構造１γの内部からクリアランス１０ｃに向かう液体冷媒１０Ｌの流入を許容する冷媒流入口として機能する。

一方、クリアランス１０ｃの非極低温側１ＨＳの端部は、閉塞部材１６ｓによって封止されている。閉塞部材１６ｓとしては例えばＯリングや、実施形態１で説明した高粘度材などを用いることができる。Ｏリングを用いる場合は、真空断熱管１１の内周面に環状溝を形成し、その環状溝にＯリングを嵌め込んでおいてから、真空断熱管１１の端部に真空断熱管１２の端部を挿入すれば良い。両断熱管１１，１２を繋げてから、クリアランス１０ｃの非極低温側１ＨＳからＯリングを押し込んでも構わない。

以上説明した構成を備える挿入型接続構造１δであれば、クリアランス１０ｃへの過剰な液体冷媒の流入を抑制することができる。この挿入型接続構造１δを備える冷媒配管に液体冷媒を流通させるにあたり、まず冷媒配管に冷媒ガスを吹き流すと、冷媒ガスは連通孔１６ｅを介してクリアランス１０ｃの内部に流入する。次いで冷媒配管に徐々に液体冷媒を流通させていくと、液体冷媒は連通孔１６ｅを介してクリアランス１０ｃに流入する。このとき、クリアランス１０ｃ内には冷媒ガスが充満している上、クリアランス１０ｃ内の液体冷媒が気化して気化ガスが発生する。クリアランス１０ｃは、シール部材１６と閉塞部材１６ｓで封止されているため、クリアランス１０ｃの外に逃げることができず、クリアランス１０ｃ内の圧力が高まる。その結果、クリアランス１０ｃの気体が、連通孔１６ｅからの液体冷媒の流入を押し止め、クリアランス１０ｃへの過剰な液体冷媒の流入が抑制され、クリアランス１０ｃ内に緩やかな温度勾配が形成される。

＜実施形態６＞
実施形態１〜４で説明した仕切り部材と、実施形態５で説明したシール部材は、組み合わせて用いることができる。その場合、仕切り部材やシール部材を単独で用いた挿入型接続構造よりも、クリアランスを介した熱侵入の増加を抑制することができる挿入型接続構造とすることができる。

＜実施形態７＞
実施形態７では、本発明の一形態に係る挿入型接続構造１εを備える超電導ケーブルの端末構造を図７に基づいて説明する。なお、超電導ケーブルの端末構造については図８の従来図を用いて既に説明しているため、実施形態７に係る図７では、超電導ケーブルや常電導リードの図示を省略している。

挿入型接続構造１εは、絶縁部材１２Ｉを介して真空断熱管１１と真空断熱管１２とを接続することで構成される。これら真空断熱管１１、真空断熱管１２、および絶縁部材１２Ｉはそれぞれ、図８におけるケーブル側断熱容器３１、リード側断熱容器３２、および絶縁部材３３に相当する。つまり、真空断熱管１１は接地電位となっており、真空断熱管１２は高電位となっており、絶縁部材１２Ｉによって両管１１，１２の間が絶縁されている。

本例の挿入型接続構造１εでは、高電位となる真空断熱管１２の端部に絶縁部材１２Ｉを一体に形成しており、そのため接地電位となる真空断熱管１１と絶縁部材１２Ｉとの間にクリアランス１０ｃが形成される。そこで、そのクリアランス１０ｃに、実施形態１〜４で説明した仕切り部材や、実施形態５で説明したシール部材を設け、クリアランス１０ｃを介した熱侵入の増加を抑制する。もちろん、実施形態５で説明したように、仕切り部材とシール部材とを組み合わせてクリアランス１０ｃを介した熱侵入の増加を抑制しても良く、その場合、クリアランス１０ｃを介した熱侵入の増加を抑制する効果が最も高くなる。なお、クリアランス１０ｃの非極低温側１ＨＳは、絶縁部材１２Ｉの外周面には金属層を形成しておき、その金属層と真空断熱管１１とを溶接するなどして封止すると良い。

ここで、真空断熱管１１に絶縁部材１２Ｉを一体化し、真空断熱管１２と絶縁部材１２Ｉとの間にクリアランスを形成しても良い。

その他、超電導ケーブルにおける実施形態の挿入型接続構造の適用箇所は、端末構造に限定されるわけではなく、中間接続構造であっても構わない。また、超電導モータなどの超電導機器において二つの断熱容器を繋ぎ合わせる際、実施形態の挿入型接続構造を適用しても構わない。

＜実施形態８＞
実施形態１〜７では、真空断熱管１１と真空断熱管１２の挿入軸方向が水平方向に向いた挿入型接続構造を説明した。これに対して、実施形態１〜７の挿入型接続構造は、断熱容器（挿入部材）１２が鉛直上方に配置される縦置き構造であっても、断熱容器（挿入部材）１２が鉛直下方に配置される逆置き構造であっても良い。縦置き構造でも逆置き構造でも、クリアランス１０ｃに仕切り部材１３，１４，１５などを設けることで、クリアランス１０ｃを介した熱侵入の増加を抑制することができる。

本発明の挿入型接続構造は、冷媒配管や超電導機器における二つの断熱容器の連結に好適に利用することができる。

１，１α，１β，１γ，１δ，１ε 挿入型接続構造
１ＬＳ 極低温側 １ＨＳ 非極低温側
１１ 真空断熱管（冷媒容器）
１２ 真空断熱管（挿入部材）
１２Ｉ 絶縁部材
１０ｃ クリアランス １ＬＳ 極低温側 １ＨＳ 非極低温側
１０Ｌ 液体冷媒 １０Ｇ 気化ガス
１３ 中空長尺体（仕切り部材） １３ｓ 閉塞部材
１４ 波付き板材（仕切り部材）
１３ｅ，１４ｅ 冷媒流入口 １３ｉ，１４ｉ 隘路
１５ 中実長尺体（仕切り部材）
１５ｅ 冷媒流入口 １５ｉ 隘路
１６ シール部材 １６ｅ 連通孔（冷媒流入口） １６ｓ 閉塞部材
１００ 端末構造
２ 常電導リード
３ 断熱構造体（挿入型接続構造）
３１ ケーブル側断熱容器 ３２ リード側断熱容器 ３３ 絶縁部材
４ ケーブルコア
４１ 超電導導体層 ４２ ケーブル絶縁層 ４３ ケーブル遮蔽層
５ ケーブル断熱管
ＳＣ 超電導ケーブル

Claims (11)

1. 内部に極低温の液体冷媒が配置される冷媒容器と、一部がその冷媒容器の開口端内に挿入される挿入部材と、を接続することで構成され、前記冷媒容器と前記挿入部材とが挿入軸方向にオーバーラップする部分に形成されるクリアランスのうち、前記挿入軸方向における前記冷媒容器が配置される側が極低温となり、前記挿入部材が配置される側が非極低温となる挿入型接続構造であって、
   前記クリアランスにおける前記極低温側の前記液体冷媒に接触する位置に設けられ、当該位置における前記クリアランスの周方向の一部に冷媒流入口を形成する流入口形成部材を備える挿入型接続構造。
2. 前記流入口形成部材は、前記クリアランスを周方向に仕切ることで前記極低温側から前記非極低温側に向かって伸びる隘路を形成する仕切り部材であって、前記隘路の前記極低温側の端部によって前記冷媒流入口が形成されており、
   前記隘路のうち、前記非極低温側の端部が閉塞されている請求項１に記載の挿入型接続構造。
3. 前記仕切り部材は、中空長尺体である請求項２に記載の挿入型接続構造。
4. 前記仕切り部材は、波付き板材である請求項２に記載の挿入型接続構造。
5. 前記流入口形成部材は、前記クリアランスに螺旋状に設けられることで前記極低温側から前記非極低温側に向かって螺旋状に伸びる隘路を形成する仕切り部材であって、前記隘路の前記極低温側の端部によって前記冷媒流入口が形成されており、
   前記隘路のうち、前記非極低温側の端部が閉塞されている請求項１に記載の挿入型接続構造。
6. 前記隘路の前記非極低温側の端部を閉塞させる閉塞部材を備える請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載の挿入型接続構造。
7. 前記閉塞部材は、前記隘路における前記非極低温側の端部の位置に注入される高粘度材で構成される請求項６に記載の挿入型接続構造。
8. 前記挿入軸方向が鉛直方向から傾いており、
   前記クリアランスの前記極低温側の端部をシールするシール部材で構成される前記流入口形成部材を備え、
   前記シール部材は、その鉛直方向の下端の位置に前記冷媒流入口となる連通孔を備える請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の挿入型接続構造。
9. 管状の断熱容器を複数繋ぎ合わせて構成される冷媒配管であって、
   繋ぎ合わされる二つの前記断熱容器の接続構造に、請求項１に記載の挿入型接続構造を用いた冷媒配管。
10. 超電導部材と、前記超電導部材の外周を覆う真空断熱構造と、を備える超電導機器であって、
    前記真空断熱構造の一部に、請求項１に記載の挿入型接続構造を用いた超電導機器。
11. 前記超電導部材が超電導ケーブルのケーブルコアである請求項１０に記載の超電導機器。

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