JP4045441B2 - 超電導ケーブルの端末構造 - Google Patents

Description

本発明は、超電導ケーブルの端末を極低温側から常温側にブッシングを介して引き出す超電導ケーブルの端末構造に関するものである。特に、極低温側と常温側間に配置されるフランジの気密性を長期に亘り維持することが可能な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3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の端末と、この端末が収納される冷媒槽101と、ケーブル100の超電導導体100aから常温側に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、中心に、超電導導体100aとジョイント105を介して電気的に接続される導体102aを有し、導体102aの周囲にエチレンプロピレンゴムなどの固体絶縁102bを被覆したもので、真空容器103から碍管104に亘って収納されている。なお、図3に示す例では、ブッシング102の両端部付近において、固体絶縁102bの外周にそれぞれストレスコーン102cを配置させている。

碍管104内には、絶縁油やSF₆ガスなどの絶縁流体104aが充填される。冷媒槽101には、供給管106から流入される液体窒素などの液体冷媒101aが充填される液体冷媒層101bと、図3において液体冷媒槽101bの上層にヘリウムガスや窒素ガスなどの冷媒ガス101cが充填される気体冷媒層101dとを具える。冷媒ガス101cは、排出管107により排出可能である。また、冷媒ガス101cは、液体冷媒101aが常温側に上昇してこないように、加圧機(図示せず)により加圧された状態に維持されている。

極低温側の真空容器103と常温側の碍管104とは、フランジ108により仕切られている。このフランジ108には、気体冷媒層101dの冷媒ガス101cが常温側の碍管104に侵入しないように、通常シール109を配置して気密に保持している。

特開2002-238144号公報（図3）

しかし、上記従来の端末構造では、長期の使用に亘ると、フランジのシールが冷媒により冷却されて硬化することでシール性能が低下して冷媒ガスが常温側に漏洩する、即ち、気密が保持できなくなる恐れがある、という問題がある。

そこで、本発明の主目的は、長期の使用に亘り、常温側と極低温側との境界に配置されるシールの気密性能の劣化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、気体冷媒層の大きさを規定することで上記目的を達成する。即ち、本発明は、超電導ケーブルの端末を極低温側から常温側にブッシングを介して引き出す超電導ケーブルの端末構造であって、極低温側には、前記ブッシングを冷却する冷媒槽を具え、前記冷媒槽には、気体冷媒層と液体冷媒層とを具える。そして、前記気体冷媒層では、加圧機により加圧することなく気体状態が維持されると共に、気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力とを平衡させるために、気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力の変動幅を0.3〜0.5MPaとした場合、前記冷媒槽の内面とブッシングの外周との間に極低温側から常温側に向けて円筒状に形成される気体冷媒層の厚さ、即ち、冷媒槽の内面とブッシングの外周との間の間隔を0.1〜2.5mm、気体冷媒層の筒軸方向の長さを300〜500mmに設定したことを特徴とする。

従来、気体冷媒層は、十分な絶縁距離を確保するため、図3に示すように冷媒槽の内面とブッシングの外周との間隔を大きくしていた。常温側と極低温側との境界に配置されるフランジ付近においても同様に上記間隔を大きくしていた。具体的には、例えば、ブッシング径が150mmφ程度の場合、フランジ付近の冷媒槽の幅(内面間の距離)が400mm程度であった。即ち、冷媒槽の内面とブッシングの外周との間隔が125mm程度であった。

しかし、本発明者らは、フランジ近傍の冷媒槽の幅(冷媒槽の内面とブッシングの外周間の距離)が広いことで、極低温側から常温側への温度勾配が十分にとれず、フランジに配置されるシールが気体冷媒や上昇してきた液体冷媒により冷却されて硬化し、この硬化により気密性能を低下させる可能性があることを突き止めた。そこで、温度勾配の範囲をより大きくするために、気体冷媒層において極低温側から常温側に向かう方向の長さを長くすることが考えられるが、この延長化により、冷媒槽や真空容器、引いては端末構造が大型になる。そこで、本発明は、気体冷媒層において極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、特に、フランジ近傍において、冷媒槽の内面とブッシングの外周間の間隔を小さくすることで、よりコンパクトな構成を実現する。

また、冷媒槽の内面とブッシングの外周間の間隔を小さくすることで、気体冷媒の圧力を高くし易い。従って、気体冷媒層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できる。そのため、加圧機を別途設ける必要がなく、端末構造をより小型化することができる。

本発明においてブッシングは、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と、導体の外周に被覆される固体絶縁とを具えるものとする。ブッシングの導体としては、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、超電導ケーブルが使用される冷媒温度、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。固体絶縁は、絶縁性樹脂、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)の場合、絶縁性能がより高いため、気体冷媒層の幅(冷媒槽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て好ましい。特に、冷媒槽をステンレスなどの金属で構成すると共に、固体絶縁として、例えば、FRPからなる部材の最外層にステンレスなどの金属を施した構成のものを用いると、冷媒槽とブッシング間が金属同士になるため、いわゆるバイヨネット方式の構成となることで、気体冷媒層の幅をより小さくすることができて好ましい。

冷媒槽は、真空断熱層を具える真空容器内に配置することが好ましい。また、冷媒槽は、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。従来の真空容器や冷媒槽と同様の構成としてもよい。

気体冷媒層の大きさは、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と共に、気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力とが平衡となる大きさとする。従って、液体冷媒の圧力や、侵入熱の度合い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を用い、圧力を0.3〜0.5MPa程度とする場合、冷媒槽の内面とブッシングの外周との間隔を0.1〜2.5mm程度、気体冷媒層の長さ(極低温側から常温側に向かう方向の距離)を300〜500mm程度が挙げられる。気体冷媒層の長さをより小さくすると、冷媒槽の内面とブッシングの外周との間隔が大きくなるため、所望の大きさの端末構造となるように、上記長さ及び間隔を選択するとよい。

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、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、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。このとき、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うとよい。また、液体冷媒は、循環冷却させてもよい。このとき、液体冷媒の移動により、液面の位置が多少変化することもあるが、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。

気体冷媒層及び液体冷媒層に用いる冷媒は、同種のものでもよいし、異種のものでもよい。例えば、気体冷媒層に用いる冷媒として、窒素ガス、ヘリウムガスなどが挙げられる。液体冷媒層に用いる冷媒は、例えば、液体窒素が挙げられる。

本発明では、気体冷媒層の気体冷媒が加圧状態にあるため、液体冷媒を極低温側に押し付け、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。即ち、気体冷媒層と液体冷媒層の境界付近には、液体冷媒の常温側への漏洩を抑制するために、ブッシングの外周に嵌合可能な漏洩防止部材が、冷媒槽の内面とブッシングの外周との間に嵌め込み設けられている。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、気体冷媒層と液体冷媒層との境界付近の冷媒槽に嵌合可能な形状としてもよい。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、上記のように気体冷媒層を特定の大きさとすることで、気体冷媒層の長さを過剰に大きくすることなく、極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、気体冷媒などによりフランジのシールが気体冷媒などにより冷却されて硬化し、この硬化によりシール性能が劣化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、フランジのシールの密閉性能を低下させにくく、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。

また、本発明端末構造では、気体冷媒層中の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、液体冷媒を極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するのを抑制することができる。従って、気体冷媒層の温度勾配が維持されるため、フランジのシールのシール性能が劣化するのを防ぐことができる。

更に、本発明端末構造において気体冷媒は、加圧機を用いなくても加圧状態であるため、気体冷媒層用の加圧機を無くすことができ、構成部材を削減することができる。

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を示す概略構成図、(B)は、(A)における破線丸印で囲まれた領域の部分拡大図である。以下、図中同一符号は同一物を示す。この端末構造は、基本的構造は図3に示す従来の超電導ケーブルの端末構造と同様である。即ち、超電導ケーブル100の端末と、ケーブル100の超電導導体100aに接続されて極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100の端末及びブッシング10が収納される冷媒槽11と、冷媒槽11の外周を覆う真空容器12と、真空容器12の常温側に突接される碍管104とを具える。冷媒槽11には、極低温側に液体窒素層(液体冷媒層)13、常温側に窒素ガス層(気体冷媒層)14とを隣接して具える。そして、極低温側と常温側間にフランジ108を配置すると共に、フランジ108においてブッシング10の外周との境界部にシール109を配置して気密にしている。

本発明の特徴とするところは、窒素ガス層14の大きさにあり、具体的には、冷媒槽11の内面11aとブッシング10の外周との間隔tを、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としたことにある。以下、各構成を詳しく説明する。

本例で用いたブッシング10(直径140mm)は、超電導ケーブル100の超電導導体100aと電気的導通をとることが可能な導体10a(直径40mmφ)と、導体10aの外周に被覆される固体絶縁10b(厚さ50mm)とを具える。超電導導体100aとブッシング10の導体10aとは、ジョイント100bを介して接続している。本例において導体10a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。また、固体絶縁10bは、絶縁性に優れるFRPにて形成した。更に、本例では、図1においてブッシング10の上端(常温側に配置される端部)に銅製の上部シールド10cを設けている。

本例において冷媒槽11は、ステンレスにて形成し、同様にステンレスにて形成した真空容器12内に収納させている。真空容器12と冷媒槽11間には、真空断熱層11bを具える構成である。この冷媒槽11には、液体窒素層13と、窒素ガス層14とを具える。液体窒素層13には、液体窒素13aを冷却するための冷凍機15を接続している。

本例では、冷媒槽11に液体窒素13aを導入する前、冷媒槽11内の水分などを除去するために窒素ガスを充填した。そして、液体窒素層13に液体窒素13aを供給すると共に、冷媒槽11の一部、具体的には、極低温側と常温側間の境界に配置されるフランジ108近傍に窒素ガスを残留させる。この窒素ガスが残留する部分が窒素ガス層14となる。本例において窒素ガス層14は、冷媒槽11の内面11aとブッシング10の外周との間隔tを2.5mm、長さLを400mmとした。このとき、冷媒槽11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11に導入して冷媒槽11を密閉する。この構成により、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14aの圧力と液体窒素13aの圧力とがほぼ平衡する。

上記構成を具える本発明超電導ケーブルの端末構造は、気体冷媒層の長さを過剰に大きくすることなく極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、フランジに設けたシールが過度に冷却されて硬化し、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は、長期の使用に亘り、常温側と極低温側間の気密状態を保持することができる。また、本発明超電導ケーブルの端末構造では、気体冷媒層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、窒素ガス層の大きさ(厚さt及び長さL)を変化させて、フランジに配置されるシールの劣化状態を調べてみた。液体窒素の圧力は、厚さt及び長さL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、シールを調べてみたところ、厚さtが0.1〜2.5mm、長さLが300〜500mmの場合、硬化することがほとんどなく、十分なシール性能を有することがわかった。また、厚さtが小さいほど、長さL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。なお、上記実施例1では、冷媒を循環させない構成を示したが、冷媒を循環させてもよい。このとき、液体窒素の圧力は、窒素ガスの圧力と平衡するように、厚さt及び長さL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に示す端末構造において、常温側に液体冷媒が漏れ出るのを防止するための漏洩防止部材を配置してもよい。図2は、本発明超電導ケーブルの終端構造において漏洩防止部材を具える例であってフランジ近傍の拡大図であり、(A)は、リング状部材を配置した例、(B)は、ブロック状部材を配置した例を示す。

図2(A)に示す例では、冷媒槽11において窒素ガス層14と液体窒素層13との境界付近に嵌合可能なリング状部材20を上記境界付近に配置している。本例で用いたリング状部材20は、液体窒素に対する耐性に優れるシリコン樹脂にて形成したものを用いた。

図2(B)に示す例では、冷媒槽11において窒素ガス層14と液体窒素層13との境界付近の形状に嵌合させた形状のブロック状部材21を上記境界付近に配置している。本例で用いたブロック状部材21は、液体窒素に対する耐性に優れるシリコン樹脂にて形成したものを用いた。

上記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、上記漏洩防止部材は、液体窒素層13と窒素ガス層14間を完全にシールするものではなく、液体窒素13aの圧力が窒素ガス14aに加えられる大きさとしている。

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ましい。

(A)は、本発明超電導ケーブルの端末構造を示す概略構成図であり、(B)は、(A)において破線丸印で囲まれた領域の部分拡大図である。 本発明超電導ケーブルの端末構造において、漏洩防止部材を具える例であってフランジ近傍の拡大図であり、(A)は、リング状部材を配置した例、(B)は、ブロック状部材を配置した例である。 従来の超電導ケーブルの端末構造を示す概略構成図である。

符号の説明

10 ブッシング 10a 導体 10b 固体絶縁 10c 上部シールド
11 冷媒槽 11a 内面 11b 真空断熱層 12 真空容器 13 液体窒素層
13a 液体窒素 14 窒素ガス層 14a 窒素ガス 15 冷凍機
20 リング状部材 21 ブロック状部材
100 超電導ケーブル 100a 超電導導体 100b,105 ジョイント
101 冷媒槽 101a 液体冷媒 101b 液体冷媒層 101c 気体冷媒
101d 気体冷媒層 102 ブッシング 102a 導体 102b 固体絶縁
102c ストレスコーン 103 真空容器 104 碍管 106 供給管
107 排出管 108 フランジ 109 シール

Claims (2)

1. 超電導ケーブルの端末を極低温側から常温側にブッシングを介して引き出す超電導ケーブルの端末構造であって、
   極低温側には、前記ブッシングを冷却する冷媒槽を具え、
   前記冷媒槽には、気体冷媒層と液体冷媒層とを具え、
   前記気体冷媒層では、加圧機により加圧することなく気体状態が維持されると共に、気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力とを平衡させるために、気体冷媒の圧力と液体冷媒の圧力の変動幅を0.3〜0.5Mpaとした場合、前記冷媒槽の内面とブッシングの外周との間に極低温側から常温側に向けて円筒状に形成される気体冷媒層の厚さ、即ち、冷媒槽の内面とブッシングの外周との間の間隔を0.1〜2.5mm、気体冷媒層の筒軸方向の長さを300〜500mmに設定したことを特徴とする超電導ケーブルの端末構造。
2. 前記気体冷媒層と液体冷媒層の境界付近には、液体冷媒の常温側への漏洩を抑制するために、前記ブッシングの外周に嵌合可能な漏洩防止部材が、前記冷媒槽の内面とブッシングの外周との間に嵌め込み設けられ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。

Images