JP3563355B2 - 極低温機器の端末構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温機器の導体を極低温から常温に引き出す端末構造に関するものである。特に、断熱性にすぐれた端末構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の極低温機器用端末構造を示す概略図である。
【０００３】
この端末構造は、極低温機器２０（図示せず）の端末と、その端末が収納される冷媒槽１０と、極低温機器２０の導体から常温部へ電気的導通をとるブッシング６０と、冷媒槽１０の外側を覆う真空容器３０と、真空容器３０の上部に突設される碍子８０とを具える。
【０００４】
極低温機器２０より導入された超電導導体にはほぼ直角方向にブッシング６０が接続されている。ブッシング６０は中心に導体を有し、その周囲にエチレンプロピレンゴムなどの固体絶縁を被覆したもので、真空容器３０と碍子８０との接合面を貫通して碍子８０内に収納されている。碍子８０の内部には絶縁油やＳＦ_６などの絶縁流体８３が充填されている。
【０００５】
冷媒槽内には供給管３２より補給される液体窒素１１が蓄えられると共に、上部は窒素ガス溜まり１５となっている。この窒素ガスの排出はガス排出口１４から行える。
【０００６】
従って、このような端末構造では、極低温機器２０から碍子８０に至る導通部はケーブル側から順に液体窒素１１に浸漬された極低温部、窒素ガス溜まり１５、碍子内の常温部を通ることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の端末構造では次のような問題があった。
▲１▼常温部から極低温部への熱侵入が大きい。
液体窒素の液面と真空容器上面との間に窒素ガス溜まりが存在すると、窒素ガスの対流により熱伝導が発生するためである。その熱伝導分、液体窒素温度が上がり、その対策として温度上昇分を冷却する結果、冷却に必要なエネルギーがロスとなってシステム全体の損失増を招く。
【０００８】
▲２▼冷媒槽をクローズドシステムによる循環冷却とすることが難しい。
通常、ブッシングの一部を冷媒に浸漬しており、この浸漬必要範囲を維持するために液体窒素の液面を管理している。冷媒槽がオープンシステムの場合、液体窒素を補給することで液面を維持することができるが、そのまま供給管３２と排出口１４を閉じて循環冷却しただけでは圧力変化や侵入熱の変化などで液面を管理することが難しい。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、断熱性にすぐれた極低温機器の端末構造を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、極低温部と常温部との間に真空断熱部を設けることで上記の目的を達成する。
【００１１】
すなわち、本発明端末構造は、極低温機器の端末を極低温部から常温部にブッシングを介して引き出す極低温機器の端末構造であって、前記極低温部と常温部との間で前記ブッシングの外周に真空断熱部を設けたことを特徴とする。
【００１２】
極低温部と常温部との間に真空断熱部を介在させることで、従来窒素ガス部で問題となった対流による熱伝導を回避し、高い断熱性を実現することができる。この高い断熱性に対応して、クローズドシステムによる循環冷却を容易に実現することができる。
【００１３】
前記真空断熱部は、極低温部をシールする極低温側フランジと、常温部をシールする常温側フランジとの間に形成することが好ましい。これら両フランジは前記ブッシングの外周に突設されている。
【００１４】
その際、一方のフランジを真空容器または冷媒槽に対して固定し、他方のフランジを可動自在に構成することが好ましい。これにより、ブッシングの熱伸縮に対応してフランジを可動とし、いずれかのフランジに過大な応力がかかることを防止する。通常は極低温側フランジを固定し、常温側フランジを可動とすることが好ましい。
【００１５】
また、真空断熱部は、互いに区画された内層部と外層部の２重構造とすることが好適である。その場合、内層部、外層部を共に真空にする場合と、内層部のみに気体を充填する場合とがある。
【００１６】
内外層部を共に真空にした場合、冷媒の充填された極低温部の方が高圧のため、極低温部の冷媒が真空断熱部に漏洩することも考えられる。その場合でも内層部のみの限られた区間に冷媒が充満するだけで、極低温部と常温部との間は外層部の真空により断熱されるため、断熱性の低下を最小限に抑えることができる。従って、内層部は小さな空間にすることが好ましい。
【００１７】
一方、内層部のみに気体を充填する場合、その気体は極低温部の冷媒よりも沸点が低く、気体の圧力は極低温部の冷媒圧力と実質的に等圧であることが好ましい。内層部を極低温部と等圧にしておけば、極低温部から内層部への冷媒の漏洩を防止することができる。また、気体の沸点を極低温部の冷媒の沸点よりも低くしておけば、万一内層部に冷媒が漏洩してきても、気体が液化または固化されることがない。極低温部の冷媒を液体窒素とした場合、内層部に充填する気体はＨｅなどが好ましい。
【００１８】
また、内層部の圧力を検知する手段を具えておけば、極低温部からの冷媒の漏洩に伴って内層部の圧力上昇を検知でき、冷媒の漏洩が生じたことを監視することができる。
【００１９】
フランジはブッシングと接着可能な材質で構成することが好ましい。例えば、ブッシングの主材料が強化繊維プラスチック（ＦＲＰ）で、フランジの主材料が強化繊維プラスチックに接着可能なプラスチック（エポキシ樹脂など）とすることが挙げられる。
【００２０】
本発明端末構造を適用する極低温機器としては、超電導ケーブル、超電導電力貯蔵機器（ＳＭＥＳ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ）、超電導限流器などが挙げられる。特に、本発明端末構造は、長距離の冷却を行うためにクローズドシステムによる循環冷却が必要とされる超電導ケーブルの端末構造に最適である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
ここでは、超電導ケーブルの端末構造を例として説明する。図１は本発明端末構造の概略図である。この端末構造は、冷媒槽１０内の液体窒素１１に浸漬された極低温部と、碍子８０に収納された常温部と、極低温部と常温部の間に形成された真空断熱部とを具える。
【００２２】
真空容器３０は超電導ケーブルの断熱管（図示せず）と接続され、真空容器、断熱管との接続個所および断熱管の内部が真空に保持される。本例では、真空容器の開口径をφ６００ｍｍとした。
【００２３】
冷媒槽１０には超電導ケーブルの導体につながる接続導体４１が導入される。冷媒槽１０は、内部に液体窒素１１が密閉される円筒管である。そのサイズはブッシング側、ケーブル側共にφ４００ｍｍとした。
【００２４】
この冷媒槽１０内で、接続導体４１はブッシング６０の端部とほぼ直角に接続される。この接続個所は下部シールド１３内に収納する。
【００２５】
ブッシング６０は、ステンレスパイプの外周にＦＲＰと箔電極とを積層した両端部がテーパー状の棒状体である。ＦＲＰと箔電極との積層はいわゆるコンデンサー方式の電界緩和手段である。テーパー構造、コンデンサー方式の電界緩和手段はブッシングの一例であり、本発明の構成を限定するものではない。直管構造のブッシングでも良いし、ストレスコーン方式の電界緩和手段を用いてもよい。
【００２６】
ブッシング６０の一例を図２に示す。ブッシング本体６１の外周には一対のフランジ６２、６３を一体化した。下方のフランジが極低温側フランジ６２で、上方のフランジが常温側フランジ６３である。
【００２７】
フランジ６２、６３は本体６１にねじ嵌合して接着で一体化するため、本体外周の材料と接着しやすいものを選択する。ここでは、極低温側フランジ６２をＦＲＰ製に、常温側フランジ６３をステンレス製とした。ブッシング６０の上端には、銅またはアルミ製の上部シールド６４が形成されている。
【００２８】
このような常温側フランジ６３で真空容器３０の上端を封止し、さらに極低温側フランジ６２で冷媒槽１０の上端を封止することで、極低温側フランジ６２と常温側フランジ６３との間に形成される空間を真空断熱部とする（図１）。
【００２９】
ここで、常温側フランジ６３を波付け加工したフレキシブル管７３Ａ、７３Ｂを用いて可動式に構成し、ブッシング６０の熱伸縮に対応して常温側フランジ６３を可動とし、極低温側フランジ６２に過大な応力がかかることを防止する。
【００３０】
例えば、冷媒槽１０の上端に極低温側フランジ６２を固定し、同フランジ６２を取り囲むフレキシブル管７３Ａの下端を冷媒槽１０の上端に固定する。フレキシブル管７３Ａの上端は常温側フランジ６３に固定され、さらにフレキシブル管７３Ｂの下端がフレキシブル管７３Ａの上端に連結される。そして、フレキシブル管７３Ｂの上端を真空容器３０の上端に固定する。
【００３１】
この構成において、フレキシブル管７３Ａにより、真空断熱部が内層部７１と外層部７２とに分割される。内層部７１は外層部７２に取り囲まれる小さな空間である。
【００３２】
冷媒槽１０には液体窒素１１が貯留されて加圧循環されるため、冷媒槽１０と真空容器３０との間の真空に保持された空間に比べれば冷媒槽１０は高圧である。そこで、真空断熱部を内層部７１と外層部７２の二重構造としておけば、万一冷媒槽１０からの冷媒の漏洩があっても内層部７１内の漏洩にとどまり、内層部７１の断熱性能が低下するのみで、外層部７２による真空は保持されるため、端末構造全体としての断熱性は十分に保持される。
【００３３】
ここで、内層部７１の圧力検知手段を設けて内層部７１の圧力変化を監視すれば、圧力が増加したことで冷媒槽１０から冷媒の漏れがあったことを検知することもできる。
【００３４】
さらに、内層部７１を真空にする代わりに、内部に気体を充填しても良い。その際の気体の圧力は、冷媒槽１０の液体窒素の圧力とほぼ等圧とする。これにより、冷媒槽内と内層部内は等圧に保持され、冷媒槽１０からの冷媒の漏洩を抑制できる。用いる気体は、冷媒である窒素の沸点よりも低い沸点のもの、例えばヘリウムとする。万一内層部７１に冷媒が漏洩してきても、冷媒の温度によって気体が液化または固化されることがない。
【００３５】
以上の説明は二重構造の真空断熱部について行ったが、図１において、フレキシブル管７３Ａを取り外して単一層の真空断熱部としても良い。この場合でも、常温側フランジ６３はフレキシブル管７３Ｂに連結されるため、ブッシングの熱伸縮に対応して可動させることができる。
【００３６】
そして、図１に示すように、碍子８０内では、ブッシング６０との間の空間に、ブッシング外面および碍子内面の電気的沿面強度を向上させる目的でシリコン油８１を充填すると共に、上部にはシリコン油の温度変化に伴う体積変化に対応するためのガス溜まり８２を設けた。ガス溜まり８２のガスは、端末構造に液体窒素が充填されたときにガスが液化することを考慮して、液体窒素温度でも液化しないＨｅガスとした。
【００３７】
このような真空断熱部を設けることで、極低温部と常温部との間の断熱性を高め、非常に断熱性に優れた極低温機器の端末構造を実現できる。また、冷媒槽を密閉して冷媒を非補給・循環させて冷却するクローズドシステムの端末構造を構成できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、極低温機器の端末構造で、極低温部と常温部との間に真空断熱部を形成することで高い耐熱性を実現でき、クローズドシステムによる冷媒非補給の循環冷却を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明端末構造の概略図である。
【図２】本発明端末構造に用いるブッシングの一例を示す側面図である。
【図３】従来の端末構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 冷媒槽
１１ 液体窒素
１３ 下部シールド
１４ ガス排出口
１５ 窒素ガス溜り
２０ 極低温機器
３０ 真空容器
６０ ブッシング
６１ 本体
６２ 極低温側フランジ
６３ 常温側フランジ
６４ 上部シールド
７１ 内層部
７２ 外層部
７３Ａ，７３Ｂ フレキシブル管
８０ 碍子
８１ シリコン油
８２ ガス溜まり
８３ 絶縁流体

Claims (2)

1. 極低温機器の端末を極低温部から常温部にブッシングを介して引き出す極低温機器の端末構造であって、
   前記ブッシングは、中心に導体を有し、その周囲に固体絶縁を被覆したもので、
   前記極低温部と常温部との間で前記ブッシングの外周に真空断熱部が設けられ、
   この真空断熱部は、極低温部をシールする極低温側フランジと、常温部をシールする常温側フランジとの間に形成され、前記両フランジは前記ブッシングの固体絶縁の外周に突設されて、
   前記真空断熱部は、互いに区画された内層部と外層部の２重構造であることを特徴とする極低温機器の端末構造。
2. 一方のフランジを固定し、他方のフランジをブッシングの熱収縮に連動するよう可動自在に構成したことを特徴とする請求項１に記載の極低温機器の端末構造。

Images