KR20030011819A

KR20030011819A - 극저온 기기의 단말 구조

Info

Publication number: KR20030011819A
Application number: KR1020027013479A
Authority: KR
Inventors: 아시베유이치; 히로세마사유키; 후루카와고헤이; 다카하시요시히사; 마츠오기미요시; 혼조쇼이치; 미무라도모; 아이바데루미츠
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤; 도쿄 덴료쿠 가부시기가이샤
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2003-02-11
Also published as: EP1283576B1; EP1283576A1; US20030154727A1; US6888060B2; CN1457541A; CN100356646C; EP1283576A4; KR100642538B1; WO2002065605A1

Abstract

본 발명은 극저온 기기(100)의 단말을 극저온부에서 상온부로 부싱을 거쳐서 인출하는 극저온 기기의 단말 구조로서, 상기 극저온부(200)와 상온부(400)와의 사이에서 상기 부싱(30)의 외주를 따라, 상기 극저온부(200)와 상온부(400)에 대하여 단열적으로 접속된 접속 단열부(300)를 설치한 것을 특징으로 한다.

Description

극저온 기기의 단말 구조{Terminal structure of extreme-low temperature equipment}

도 7은 종래의 극저온 기기용 단말 구조를 도시하는 개략도이다.

이 단말 구조는 극저온 기기(100)(도시 생략)의 단말과, 그 단말이 수납되는 냉매통(10)과, 극저온 기기(20)의 도체로부터 상온부로 전기적 도통을 얻는 부싱(bushing)(30)과, 냉매통(10)의 외측을 덮는 진공 용기(20)와, 진공 용기(20)의 상부로 돌출하여 접속되는 애자(insulator)(40)를 구비한다.

극저온 기기(100)로부터 도입된 초전도 도체에는 거의 직각 방향으로 부싱(30)이 접속되어 있다. 부싱(30)은 중심에 도체를 가지고, 그 주위에 에틸렌프로필렌 고무 등의 고체 절연을 피복한 것으로, 진공 용기(20)와 애자(40)와의 접합면을 관통하여 애자(40) 내에 수납되어 있다. 애자(4O)의 내부에는 절연유나 6불화황(SF₆) 등의 절연 유체(43)가 충전되어 있다.

냉매통 내에는 공급관(22)으로부터 보급되는 액체 질소(11)가 축적됨과 동시에, 상부는 질소 가스 저장조(15)로 되어 있다. 이 질소 가스의 배출은 가스 배출구(14)로부터 행할 수 있다.

따라서, 이러한 단말 구조에서는 극저온 기기(100)에서 애자(40)에 이르는 도통부는 케이블(80) 측에서 순서대로 액체 질소(11)에 침지된 극저온부, 질소 가스 저장조(15), 애자 내의 상온부를 지나게 된다.

그러나, 상기 단말 구조에서는 다음과 같은 문제가 있었다.

① 상온부(400)에서 극저온부(200)로의 열 침입이 크다.

액체 질소(11)의 액면과 진공 용기(20) 상면 사이에 질소 가스 저장조(15)가 존재하면, 질소 가스의 대류에 의해, 진공 용기(20)로부터 상온부(400)에 열 전도가 발생하기 때문이다. 그 열 전도분, 액체 질소 온도가 올라가, 그 대책으로서 온도 상승분을 냉각하는 결과, 냉각에 필요한 에너지가 로스가 되어 시스템 전체의 손실 증가를 초래한다.

② 냉매통을 클로즈 시스템에 의한 순환 냉각으로 하는 것이 어렵다.

통상, 부싱(30)의 일부가 냉매로 침지되어 있으며, 이 침지 필요 범위를 유지하기 위해 액체 질소(11)의 액면을 관리하고 있다. 냉매통이 오픈 시스템인 경우, 액체 질소(11)를 보급함으로써 액면을 유지할 수 있지만, 그대로 공급관(22)과 배출구(14)를 닫아서 순환 냉각한 것만으로는 압력 변화나 침입 열의 변화 등으로 액면을 관리하는 것이 어렵다.

한편, 극저온 기기(100)의 초전도 도체로 이어지는 접속 케이블(도체)(80)은 거의 직각 방향으로 부싱(30)이 접속되어 있다. 부싱(30)은 예를 들면 스테인레스관의 중심에 구리 등의 도체를 삽입하여, 스테인레스관의 외주에 에틸렌프로필렌 고무 등의 고체 절연을 피복한 것이다. 부싱(30)의 일 단부는 냉매 중에 침지되고, 다른 단부는 진공 용기(20)와 애자(40)와의 접합면을 관통하여 애자(40) 내에 수납되어 있다. 애자(40)의 내부에는 절연유나 SF₆등의 절연 유체(60)가 충전되어 있으며, 절연유를 충전한 경우는 상부에 가스 조장조를 형성하는 경우도 있다. 스테인레스관의 내부에는 극저온에서 상온으로 이어지는 공간이 존재하고, 이 공간이 상기 가스 저장조에 연통하고 있는 경우로 되어 있지 않은 경우가 있다.

냉매통(10) 내에는 공급관(22)으로부터 보급되는 액체 질소(11)가 축적됨과 동시에, 상부는 질소 가스 저장부(13)로 되어 있다. 이 질소 가스의 배출은 가스 배출구(14)로부터 행할 수 있다.

따라서, 이러한 단말 구조에서는 극저온 기기(100)에서 애자(40)에 이르는 도통부는 케이블 측에서 순서대로 액체 질소(11)에 침지된 극저온부(200), 질소 가스 저장(13), 애자(40) 내의 상온부(400)를 지나게 된다.

그러나, 상기 단말 구조에서는 더욱이 다음과 같은 문제가 있었다.

③ 부싱(30) 내부의 공간과 애자(40) 내의 가스 저장조(42) 연통하고 있는 경우, 절연 성능 저하를 초래하는 일이 있다.

부싱(30) 내에 극저온에서 상온으로 이어지는 공간이 존재하기 때문에, 그 내부에 공기가 존재하면, 극저온 온도에 의해 공기의 액화·동결이 발생하여, 용적이 대폭 감소한다. 그 결과, 애자(40) 내가 부압으로 되어 절연 성능 저하로 이어진다.

부싱(30)의 공간 내 가스의 체적 변화에 추종할 수 있도록 가스 공급 장치를 접속하는 것도 생각할 수 있지만, 가스 주입구(22)가 고전압부로 되기 때문에, 과전 정지·배관 착탈이 필요해져 현실적이지 않다.

부싱(30)의 공간에 가스 공급은 행하지 않고, 미리 부싱(30) 내의 공간 및 애자(40) 내의 가스 저장조(42)를 고압력으로 해 두고, 냉각에 의한 압력 저하에 의해서도 절연 성능에 영향주지 않도록 하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 절연 성능에 영향주지 않을 정도의 압력을 냉각 후에 확보하고자 하면 냉각 전의 압력이 과대해져 현실적이지 않다.

④ 부싱(30) 내의 공간과 애자(40) 내의 가스 조장조(42)가 연통하고 있지 않은 경우, 부싱 내의 과대한 압력 변화에 따라 기계적 파손을 초래하는 일이 있다.

부싱(30) 내의 공간과 애자(40) 내의 가스 저장조(42)가 연통하고 있지 않은 구성에서는, 일반적으로 부싱(30) 내부의 공간은 밀봉되며, 상술한 부압에 따르는 절연 성능 저하는 문제로 되지 않는다. 그러나, 부싱(30) 내부의 공간 밀봉이 완전하지 않은 것도 예상되며, 그 경우는 조금이지만 공간과 가스 저장조(42)와의 연통이 생길 가능성이 있다. 장기적으로 보면, 부싱(30)의 공간 내의 가스가 액화하여 부압으로 되고, 그 상태에서 서서히 가스 저장조(42)의 공기가 부싱(30) 내부로 빨려들어가는 것을 생각할 수 있다. 그리고, 가스 저장조로부터 부싱(30) 내의 공간으로 빨려들어간 공기가 액화되어버리면, 상온으로 복귀할 때에 대단히 큰 압력으로 되어, 부싱(30)을 기계적으로 파손시켜버리는 원인으로 된다.

본 발명은 극저온 기기의 도체를 극저온에서 상온으로 인출하는 단말 구조에 관한 것이다. 특히, 단열성 혹은 절연 성능이 뛰어난 단말 구조에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 단말 구조의 개략도.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예의 단말 구조에 사용하는 부싱의 일례를 도시하는 측면도.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예의 단말 구조의 개략 단면도.

도 4는 본 발명의 제 3 실시예의 단말 구조에 있어서의 상온부의 부분 단면도.

도 5는 본 발명의 제 4 실시예의 단말 구조에 있어서의 상온부의 부분 단면도.

도 6은 본 발명의 제 5 실시예의 단말 구조에 있어서의 상온부의 개략 단면도.

도 7은 종래의 단말 구조를 도시하는 개략도.

(도면의 부호설명)

10 : 냉매통 11 : 냉각 질소

13 : 하부 실드 14 : 가스 배출구

15 : 질소 가스 저장조 20 : 진공 용기

22, 23 : 공급관 30 : 부싱

31 : 부싱 본체 32 : 극저온측 플랜지

33 : 상온측 플랜지 34 : 상부

40 : 애자 41 : 실리콘유

42 : 가스 저장조 43 : 절연 유체

71 : 외층부 72 : 내층부

73A, 73B : 플랙시블관 80 : 접속 도체

100 : 극저온 기기 110 : 냉매통

111 : 액체 질소 112 : 액체 질소부

113 : 질소 가스 저장부 120 : 진공 용기

130 : 부싱 131 : 스테인레스 파이프

132 : 고체 절연층 133 : 전류 리드

134 : 공간 135 : 극저온측 플랜지

136 : 상온측 플랜지 137 : 플랜지

140 : 애자 141 : 절연유 저장조

142 : 공극부 143 : SF₆가스

150 : 플렉스블관 160 : 절연 유체

200 : 극저온부 300 : 접속 단열부

400 : 상온부

본 발명의 제 1 목적은 단열성이 뛰어난 극저온 기기의 단말 구조를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 제 2 목적은 부싱 등의 도체부 내부에 액화물이 발생하는 것을 방지하여, 그에 따르는 절연 성능 저하 및 도체부 내부의 과대한 압력 변화를 억제할 수 있는 극저온 기기의 단말 구조를 제공함에 있다.

그래서 본 발명은 극저온부와 상온부 사이에 단열적으로 접속된 접속 단열부를 설치함으로써 상기 목적을 달성한다.

즉, 본 발명의 단말 구조는 극저온 기기의 단말을 극저온부에서 상온부로 부싱을 거쳐서 인출하는 극저온 기기의 단말 구조로서, 상기 극저온부와 상온부 사이에서 상기 부싱의 외주를 따라 상기 극저온부와 상온부에 대하여 단열적으로 접속된 접속 단열부를 설치한 것을 특징으로 한다.

극저온부와 상온부 사이에 단열적으로 접속된 접속 단열부를 개재시킴으로써, 종래 질소 가스부에서 문제로 된 질소 가스의 대류에 의한 극저온부와 상온부 사이에서의 열 전도를 회피하여, 높은 단열성을 실현할 수 있다. 이 높은 단열성에 대응하여, 클로즈 시스템에 의한 순환 냉각을 용이하게 실현할 수 있다.

상기 접속 단열부는 극저온부를 열적으로 시일(seal)하는 극저온측 플랜지와, 상온부를 열적으로 시일하는 상온측 플랜지와의 사이에 형성하는 것이 바람직하다. 이들 양 플랜지는 상기 부싱의 외주로 돌출하여 접속되어 있다.

그 때, 한쪽 플랜지를 진공 용기 또는 냉매통에 대하여 고정시키고, 다른쪽 플랜지를 가동으로 구성하는 것이 바람직하다. 이로써, 부싱의 열 신축에 대응하여 플랜지를 가동으로 하여, 어느 한 플랜지에 과대한 응력이 걸리는 것을 방지한다. 통상은 극저온측 플랜지를 고정시키고, 상온측 플랜지를 가동으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 접속 단열부는 서로 구획된 내층부와 외층부의 2중 구조로 하는 것이 적합하다. 그 경우, 내층부, 외층부를 모두 진공으로 하는 경우와, 내층부에만 기체를 충전하는 경우가 있다.

내외층부를 모두 진공으로 한 경우, 냉매가 충전된 극저온부 쪽이 고압이기 때문에, 극저온부의 냉매가 접속 단열부에 누설되는 것도 생각할 수 있다. 그 경우라도 내층부만이 한정된 구간에 냉매가 충만하는 것만으로, 극저온부와 상온부 사이는 외층부의 진공에 의해 단열되기 때문에, 단열성 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 따라서, 내층부는 작은 공간으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 내층부에만 기체를 충전할 경우, 그 기체는 극저온부의 냉매보다도 비점이 낮아, 기체의 압력은 극저온부의 냉매 압력과 실질적으로 등압인 것이 바람직하다. 내층부를 극저온부와 등압으로 해 두면, 극저온부에서 내층부로의 냉매 누설을 방지할 수 있다. 또한, 기체의 비점을 극저온부의 냉매 비점보다도 낮게 해 두면, 만일 내층부에 냉매가 누설하게 되어도, 기체가 액화 또는 고화되는 일이 없다. 극저온부의 냉매를 액체 질소로 한 경우, 내층부에 충전하는 기체는 헬륨(He) 등이 바람직하다.

또한, 내층부의 압력을 검지하는 수단을 구비해 두면, 극저온부로부터의 냉매 누설에 따라 내층부의 압력 상승을 검지할 수 있고, 냉매 누설이 생긴 것을 감시할 수 있다.

플랜지는 부싱과 접착 가능한 재질로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 부싱의 주재료가 강화 섬유 플라스틱(FRP)이며, 플랜지의 주재료가 강화 섬유 플라스틱에 접착 가능한 플라스틱(에폭시 수지 등)으로 하는 것을 들 수 있다.

본 발명의 단말 구조를 적용하는 극저온 기기로서는 초전도 케이블, 초전도 전력 저장 기기(SMES: Superconducting magnetic energy storage), 초전도 한류기 등을 들 수 있다. 특히, 본 발명의 단말 구조는 장거리 냉각을 하기 위해 클로즈 시스템에 의한 순환 냉각이 필요로 되는 초전도 케이블의 단말 구조에 적합하다.

더욱이, 여기서의 부싱은 상기 극저온부에서 상온부로 인출되는 도체부와, 상기 도체부의 외주를 따라 극저온부에서 상온부로 이어지는 외주 기상 공간을 구비하도록 하여도 된다.

그리고 이 외주 기상 공간은 극저온에서 액화하지 않는 기체로 충전되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기체는 헬륨인 것이 바람직하다.

더욱이 또한 이 외주 기상 공간은 진공으로 하도록 하여도 된다.

또한 본 발명의 제 2 목적에서는, 도체부의 길이 방향을 따라, 내부 공간에 충전하는 기체를 한정하거나, 그 공간을 진공으로 함으로써 압력을 일정하게 유지하여, 도체부 피복이 손상을 받아 도통 불량을 일으키는 것을 방지하여, 상기 제 2목적을 달성한다.

본 발명의 제 2 특징은 극저온부에서 상온부로 인출되는 도체부를 갖는 극저온 기기의 단말 구조로서, 상기 도체부는 극저온부에서 상온부로 이어지는 영역에서, 기상 공간을 갖도록 피복되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 극저온부에서 상온부로 이어지는 영역에서 도체부가 기상 공간을 갖도록 피복되어 있으며, 이 공간에 극저온에서 액화하지 않는 기체로 충전되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 경우에 사용하는 기체의 구체적 예로서는 헬륨을 들 수 있다.

또한, 바람직하게는 극저온부에서 상온부로 인출되는 도체부를 갖는 극저온 기기의 단말 구조로서, 상기 도체부는 극저온부에서 상온부로 이어지는 기상 공간을 갖도록 피복되어 있으며, 이 공간이 진공에 유지되는 것도 특징으로 한다.

극저온부에서 상온부로 이어지는 영역에서 도체부가 기상 공간을 갖도록 피복되어 있으며, 이 기상 공간 내를 극저온에서 액화하지 않는 기체로 충전하거나 진공으로 함으로써, 극저온 온도에 의해서도 공간 내에 액화물이 발생하는 것을 억제하여, 도체부 내의 감압에 따르는 절연 성능 저하나 도체부 내의 과대한 압력 변화를 방지할 수 있다.

본 발명의 단말 구조의 보다 구체적인 각 부의 구성을 설명한다.

도체부는 중공 파이프를 구비하는 것이나, 중공 파이프의 내부에 구리 등의 양도성(良導性) 전류 리드(lead)를 삽입한 것 중 어느 것이어도 상관없다. 도체부의 내부에 극저온부에서 상온부로 이어지는 공간이 형성된 것으로 한다. 통상, 중공 파이프의 외주에 고무, 에폭시 수지 등의 고체 절연이 실시된다. 절연 전류 리드의 형태는 막대, 파이프, 꼬임선 등을 들 수 있다.

극저온부는 액체 질소 등의 냉매에 의해 극저온 상태로 유지되는 구조이면 특별히 한정되지 않는다. 대표적인 구성으로서는 냉매를 쌓는 냉매통과, 그 외주를 진공으로 유지하는 진공 용기를 구비하는 것을 들 수 있다.

상온부는 애자나 에폭시 투관 등의 절연 외피의 거의 중심에 도체부가 관통되어, 절연 외피와 도체부 사이의 공간에 절연 유체가 충전된 구성을 들 수 있다. 절연 유체에는 절연유 등의 액체나 SF₆등의 가스를 이용할 수 있다. 절연유를 사용한 경우, 일반적으로 절연 외피 내에 절연유 저장조와, 그 상부에 형성되는 공극부를 구비한다.

이 공극부와 도체부 내의 공간이 연통하는 경우, 도체부 내의 공간 및 상기 공극부를 극저온에서 액화하지 않는 기체로 충전한다. 이것에 의해, 도체부 내에 극저온에서 액화물이 발생하는 것을 방지하여, 도체부 내 및 공극부 내가 부압으로 됨에 따라 절연 성능이 저하하는 것을 방지한다.

절연유 저장조의 상부에 형성되는 공극부와 도체부 내의 공간이 연통하지 않을 경우, 도체부 내의 공간을 진공으로 하거나 극저온에서 액화하지 않는 기체로 충전하면 된다. 이 구성은 도체부 내의 공간을 용접 등에 의해 밀봉함으로써 실현하면 된다. 그로써, 도체부 내에 극저온에서 액화물이 발생하는 것을 방지하여, 부싱 내의 과대한 압력 변화를 억제하여 부싱의 기계적 파손을 방지한다.

본 발명의 단말 구조를 적용하는 극저온 기기로서는 초전도 케이블, 초전도 자기 에너지 저장(SMES: Superconducting magnetic energy storage system), 초전도 한류기 등을 들 수 있다. 특히, 본 발명의 단말 구조는 장거리 냉각을 하기 위해 클로즈 시스템에 의한 순환 냉각이 필요로 되는 초전도 케이블의 단말 구조에 적합하다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

(제 1 실시예)

여기서는 초전도 케이블의 단말 구조를 예로서 설명한다. 도 1은 본 발명의 단말 구조의 개략도이다. 이 단말 구조는 냉매통(10) 내의 액체 질소(11)에 침지된 극저온부와, 애자(40)에 수납된 상온부(400)와, 극저온부(200)와 상온부(400) 사이에 형성된 접속 단열부(300)를 구비한다.

진공 용기(20)는 초전도 케이블의 단열관(도시 생략)과 접속되며, 진공 용기(20), 단열관과의 접속 개소 및 단열관의 내부가 진공으로 유지된다. 본 예에서는 진공 용기(20)의 개구 직경을 φ600mm로 하였다.

냉매통(10)에는 초전도 케이블(40)의 도체로 이어지는 접속 도체(41)가 도입된다. 냉매통(10)은 내부에 액체 질소(11)가 밀폐되는 원통관이다. 그 사이즈는 부싱 측, 케이블 측 모두 φ400mm로 하였다.

이 냉매통(10) 내에서 접속 도체(41)는 부싱(30)의 단부와 거의 직각으로 접속된다. 이 접속 개소는 하부 실드(13) 내에 수납한다.

부싱(30)은 스테인레스 파이프의 외주에 FRP와 박(箔)전극을 적층한 양단부가 테이퍼형 막대 형체이다. FRP와 박전극과의 적층은 소위 콘덴서 방식의 전계 완화 수단이다. 테이퍼 구조, 콘덴서 방식의 전계 완화 수단은 부싱의 일례이고, 본 발명의 구성을 한정하는 것은 아니다. 직관 구조의 부싱이어도 되고, 스트레스콘(stress cone) 방식의 전계 완화 수단을 사용하여도 된다.

부싱(30)의 일례를 도 2에 도시한다. 부싱 본체(31)의 외주에는 한 쌍의 플랜지(32, 33)를 일체화하였다. 아래쪽 플랜지가 극저온측 플랜지(32)이고, 위쪽 플랜지가 상온측 플랜지(33)이다.

플랜지(32, 33)는 본체(31)에 나사 감합하여 접착으로 일체화하기 때문에, 본체 외주의 재료와 접착하기 쉬운 것을 선택한다. 여기서는 극저온측 플랜지(32)를 FRP제로, 상온측 플랜지(33)를 스테인레스제로 하였다. 부싱(30)의 상단에는 구리 또는 알루미늄제의 상부 실드(34)가 형성되어 있다.

이러한 상온측 플랜지(33)에서 진공 용기(20)의 상단을 밀봉하고, 더욱이 극저온측 플랜지(32)에서 냉매통(10)의 상단을 밀봉함으로써, 극저온측 플랜지(32)와 상온측 플랜지(33) 사이에 형성되는 공간을 접속 단열부(300)로 한다(도 1).

여기서, 상온측 플랜지(33)를 주름 부착 가공한 플렉시블관(73A, 73B)을 사용하여 가동식으로 구성하고, 부싱(30)의 열 신축에 대응하여 상온측 플랜지(33)를 가동으로 하여, 극저온측 플랜지(32)에 과대한 응력이 걸리는 것을 방지한다.

예를 들면, 냉매통(10)의 상단에 극저온측 플랜지(32)를 고정시키고, 동일 플랜지(32)를 둘러싸는 플렉시블관(73A)의 하단을 냉매통(10)의 상단에 고정시킨다. 플렉시블관(73A)의 상단은 상온측 플랜지(33)에 고정되며, 더욱이, 플렉시블관(73B)의 하단이 플렉시블관(73A)의 상단에 연결된다. 그리고, 플렉시블관(73B)의 상단을 진공 용기(20)의 상단에 고정시킨다.

이 구성에 있어서, 플렉시블관(73A)에 의해, 접속 단열부가 내층부(71)와 외층부(72)로 분할된다. 내층부(71)는 외층부(72)에 둘러싸이는 작은 공간이다.

냉매통(10)에는 액체 질소(11)가 저류되어 가압 순환되기 때문에, 냉매통(10)과 진공 용기(2) 사이의 진공으로 유지된 공간에 비하면 냉매층(10)은 고압이다. 그래서, 접속 단열부를 내층부(71)와 외층부(72)의 이중 구조로 해 두면, 만일 냉매통(10)으로부터의 냉매 누설이 있더라도 내층부(71) 내의 누설에 머물러, 내층부(71)의 단열 성능이 저하할 뿐으로, 외층부(72)에 의한 진공은 유지되기 때문에, 단말 구조 전체로서의 단열성은 충분히 유지된다.

여기서, 내층부(71)의 압력 검지 수단을 설치하여 내층부(71)의 압력 변화를 감시하면, 압력이 증가한 것으로 냉매통(10)으로부터 냉매 누설이 있는 것을 검지할 수 있다.

더욱이, 내층부(71)를 진공으로 하는 대신, 내부에 기체를 충전하여도 된다. 그 때의 기체 압력은 냉매통(10)의 액체 질소 압력과 거의 등압으로 한다. 이로써, 냉매통 내와 내층부 내는 등압으로 유지되어, 냉매통(10)으로부터의 냉매 누설을 억제할 수 있다. 사용하는 기체는 냉매인 질소의 비점보다도 낮은 비점인 것, 예를 들면 헬륨으로 한다. 만일 내층부(71)에서 냉매가 누설되어도 냉매 온도에 의해 기체가 액화 또는 고화되는 일이 없다.

이상의 설명은 이중 구조의 접속 단열부에 대해서 행하였지만, 도 1에 있어서, 플렉시블관(73A)을 제거하고 단일층의 접속 단열부로 하여도 된다. 이 경우라도, 상온측 플랜지(33)는 플렉시블관(73B)에 연결되기 때문에, 부싱의 열 신축에 대응하여 가동으로 할 수 있다.

그리고, 도 1에 도시하는 바와 같이, 애자(40) 내에서는 부싱(30)과의 사이의 공간에 부싱 외면 및 애자 내면의 전기적 연면(沿面) 강도를 향상시킬 목적으로 실리콘유(41)를 충전함과 동시에, 상부에는 실리콘유의 온도 변화에 따르는 체적 변화에 대응하기 위한 가스 저장조(42)를 설치하였다. 가스 저장조(42)의 가스는 단말 구조에 액체 질소가 충전되었을 때에 가스가 액화하는 것을 고려하여, 액체 질소 온도에서도 액화하지 않는 He 가스로 하였다.

이러한 접속 단열부를 설치함으로써, 극저온부와 상온부 사이의 단열성을 높여, 대단히 단열성이 뛰어난 극저온 기기의 단말 구조를 실현할 수 있다. 또한, 냉매통을 밀폐하여 냉매를 보급하지 않고, 순환시켜서 냉각하는 클로즈 시스템의 단말 구조를 구성할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 극저온 기기의 단말 구조로, 극저온부와 상온부 사이에 접속 단열부를 형성함으로써 높은 내열성을 실현할 수 있어, 클로즈 시스템에 의한 냉매 비보급 방식의 순환 냉각을 가능하게 한다.

(제 2 실시예)

여기서는 초전도 케이블의 단말 구조를 예로서 설명한다. 도 3은 본 발명의 단말 구조의 개략도이다. 이 단말 구조는 냉매통(110) 내의 액체 질소(111)에 침지된 극저온부(200)와, 애자(140)에 수납된 상온부(400)와, 극저온부와 상온부 사이에 형성된 접속 단열부(300)를 구비한다.

극저온부(200)를 구성하는 냉매통(110)에는 도시하지 않은 초전도 케이블의 도체로 이어지는 접속 도체가 진공 용기(120)를 지나 도입된다. 냉매통(110)은 내부에 액체 질소(111)가 밀폐되는 원통관이다. 상기 접속 도체는 냉매통 내에서 부싱(130)(도체부)에 접속된다.

이러한 냉매통(110)은 진공 용기(120) 내에 수납되어 있다. 진공 용기(120)는 그 내부를 소정의 진공 상태로 유지할 수 있도록 구성되며, 도시하지 않은 진공 용기(120)의 하단부는 초전도 케이블의 단열관(도시 생략)과 접속되어 있다. 진공 용기와 단열관과의 접속 개소 및 단열관의 내부도 진공으로 유지된다.

한편, 진공 용기(120)의 상부에는 애자(140)가 고정되어 상온부를 구성하고 있다. 애자(140)는 내부에 후술하는 부싱(130)이 수납됨과 동시에, 애자 내와 부싱(130) 사이에 절연유가 충전된 절연유 저장조(141)와, 그 상부에 형성되는 공극부(142)를 구비하고 있다. 여기서 절연유로서는 실리콘알킬벤젠, 폴리부텐 등의 기름이 사용된다.

부싱(130)은 상기 제 1 실시예에서 설명한 것과 동일하게 형성되지만, 부싱의 일단부는 액체 질소(111) 중에 침지되고, 다른쪽 단부는 애자(140) 내에 도입되어 있다. FRP와 박전극과의 적층은 소위 콘덴서 방식의 전계 완화 수단이다. 스테인레스 파이프(131)의 내부에는 전류 리드(133)로 되는 구리 파이프가 삽입되어 있다. 테이퍼 구조, 콘덴서 방식의 전계 완화 수단은 부싱의 일례로, 본 발명의 구성을 한정하는 것은 아니다. 직관 구조의 부싱이어도 되고, 스트레스 콘 방식의 전계 완화 수단을 사용하여도 된다.

스테인레스 파이프(131) 내에는 극저온부에서 상온부로 이어지는 공간(134)이 형성되어 있다. 이 공간(134)은 절연유 저장조 상부의 공극부(142)로 연통하고있으며, 내부에 극저온 온도에서 액화하지 않는 헬륨 가스를 충전한다. 극저온 온도는 통상은 사용하는 냉매의 온도인 것이다. 일반적으로 냉매는 헬륨보다도 비점이 높은 것, 예를 들면 액체 질소가 바람직하다. 대기압에서 N₂의 비점은 77.3K이다. 이 구성에 의해, 부싱 내부에 극저온에서 액화물이 발생하는 것을 방지하여, 공간 내 및 공극부 내가 부압으로 됨에 따라 절연 성능이 저하하는 것을 방지한다.

한편, 부싱(130)의 외주에는 한 쌍의 플랜지(135, 136)를 일체화하였다. 아래쪽 플랜지가 극저온측 플랜지(135)이고, 위쪽 플랜지가 상온측 플랜지(136)이다.

플랜지(135, 136)는 고체 절연층(32)에 나사 감합하여 접착으로 일체화하기 때문에, 고체 절연층 외주의 재료와 접착하기 쉬운 것을 선택한다. 여기서는 극저온측 플랜지(135)를 FRP제로, 상온측 플랜지(136)를 스테인레스제로 하였다.

이러한 상온측 플랜지(136)에서 진공 용기(120)의 상단을 밀봉하고, 더욱이 극저온측 플랜지(135)에서 냉매통(110)의 상단을 밀봉함으로써, 극저온측 플랜지(135)와 상온측 플랜지(136) 사이에 형성되는 공간을 접속 단열부로 한다.

여기서, 상온측 플랜지(136)를 주름 부착 가공한 플렉시블관(150)을 사용하여 가동식으로 구성하며, 부싱(130)의 열 신축에 대응하여 상온측 플랜지(136)를 가동으로 하여, 극저온측 플랜지(135)에 과대한 응력이 걸리는 것을 방지한다.

예를 들면, 냉매통(110)의 상단에 극저온측 플랜지(135)를 고정시킨다. 플렉시블관(150)의 상단은 상온측 플랜지(136)에 고정되며, 더욱이 플렉시블관(150)의 하단이 진공 용기(120)의 상단으로 연결된다.

이러한 접속 단열부(300)를 설치함으로써, 극저온부(200)와 상온부(400) 사이의 단열성을 높여, 대단히 단열성이 뛰어난 극저온 기기(100)의 단말 구조를 실현할 수 있다. 또한, 냉매통(110)을 밀폐하여 냉매(111)를 비보급·순환시켜 냉각하는 클로즈 시스템의 단말 구조를 구성할 수 있다.

(제 3 실시예)

다음에, 상온부의 구성이 다른 실시예를 도 4에 도시한다. 제 3 실시예는 상온부의 단부 구성이 다를 뿐으로, 다른 구성은 제 1 실시예와 같기 때문에, 주로 상위점에 대해서 설명한다.

이 상온부는 애자 내에 부싱(130)이 수납되어 있지만, 부싱 내부에 형성된 공간(134)이 절연유 저장조 상부에 형성된 공극부(142)와 연통해 있지 않은 구성이다. 이 경우, 부싱 내부의 공간을 진공으로 하거나 극저온 온도로 액화하지 않은 헬륨 가스를 충전한다. 부싱 내의 공간은 스테인레스 파이프(131)의 단부를 용접하는 것 등에 의해 밀봉한다. 이 구성에 의해, 부싱 내부에 액화물이 생기는 것을 억제하고, 부싱 내의 과대한 압력 변화를 억제하여, 부싱의 기계적 파손을 방지한다.

(제 4 실시예)

다음에, 상온부의 절연 유체를 SF₆가스(143)로 한 실시예를 도 5에 도시한다. 제 4 실시예는 상온부의 단부 구성이 다를 뿐으로, 다른 구성은 제 2 실시예와 같기 때문에, 주로 상위점에 대해서 설명한다.

이 상온부도 애자 내에 부싱(130)이 수납되어 있지만, 부싱 내부에 형성된 공간(134)이 SF₆가스(143)의 충전 공간과 연통하고 있지 않은 구성이다. 제 3 실시예에서는 절연 유체로 절연유를 사용하였지만, 본 실시예에서는 절연유 대신 SF₆가스(143)를 사용하고 있다. 이 경우라도 부싱 내부의 공간을 진공으로 하거나 극저온 온도에서 액화하지 않는 헬륨 가스를 충전한다. 부싱 내의 공간은 스테인레스 파이프(131)의 단부를 용접하는 것 등에 의해 밀봉한다. 이 구성에 의해, 부싱 내부에 액화물이 생기는 것을 억제하고, 부싱 내의 과대한 압력 변화를 억제하여, 부싱의 기계적 파손을 방지한다.

(제 5 실시예)

더욱이, 접속 단열부를 갖지 않는 단말 구성을 도 6에 도시한다. 실시예 1에서는 2개의 플랜지를 사용하여 접속 단열부를 형성하였지만, 본 실시예에서는 부싱 외주의 플랜지(137)를 하나로 하여, 냉매층 내에 액체 질소부(112)와 질소 가스 저장부(113)를 갖는 구성으로 하였다. 플랜지(137)를 경계로 하여, 그 상부는 바로 상온부로 이어져 있다.

이 단말 구조에서도, 제 2 실시예에 도시한 바와 같이, 부싱 내부에 형성된 공간(134)이 절연유 저장조 상부에 형성된 공극부(142)와 연통하는 경우, 부싱 내부의 공간에 극저온 온도에서 액화하지 않는 헬륨 가스를 충전한다. 이 구성에 의해, 부싱 내부에 액화물이 생기는 것을 억제하여, 절연 성능 저하를 방지한다.

이들 공간(134)과 공극부(142)가 연통하지 않은 경우, 제 3 및 제 4 실시예에 도시한 바와 같이, 부싱 내부의 공간을 진공으로 하거나 극저온 온도에서 액화하지 않는 헬륨 가스를 충전한다. 이 구성에 의해, 부싱 내부에 액화물이 생기는 것을 억제하고, 부싱 내의 과대한 압력 변화를 억제하여, 부싱의 기계적 파손을 방지한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 단말 구조에 의하면, 극저온부와 상온부 사이에 단열적으로 접속하도록 형성된 기상 공간으로 이루어지는 접속 단열부를 구비하며, 이 공간 내를 극저온에서 액화하지 않는 기체로 충전하거나 진공으로 함으로써, 극저온 온도에 의해서도 공간 내에 액화물이 발생하는 것을 억제하여, 도체부와 극저온부와의 단열을 가능하게 할 수 있다.

또한, 도체부의 외주에 극저온부에서 상온부로 이어지는 외주 기상 공간을 형성하여, 이 공간 내를 극저온에서 액화하지 않는 기체로 충전하거나 진공으로 함으로써, 극저온 온도에 의해서도 공간 내에 액화물이 발생하는 것을 억제한다. 그에 따라, 도체부 내의 감압에 따르는 절연 성능 저하 또는 도체 내부의 과대한 압력 변화를 방지할 수 있다.

Claims

극저온 기기의 단말을 극저온부에서 상온부로, 중심에 도체부를 갖는 부싱을 거쳐서 인출하는 극저온 기기의 단말 구조에 있어서,

상기 극저온부와 상온부와의 사이에 단열적으로 접속되고, 상기 부싱의 외주를 덮는 접속 단열부를 설치한 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 부싱은 상기 극저온부로부터 상기 접속 단열부를 관통하여 상기 상온부에 도달하는 기상 공간에서 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 접속 단열부는 극저온부를 시일하는 극저온측 플랜지와, 상온부를 시일하는 상온측 플랜지를 거쳐서 상기 극저온부 및 상기 상온부에 단열적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 3 항에 있어서, 상기 양 플랜지는 상기 부싱의 외주로 돌출하여 접속되고, 상기 양 플랜지와 상기 부싱의 외주면과 외장 용기에 의하여 단열 접속부로서의 기상 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 2 항에 있어서, 상기 기상 공간은 진공인 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 2 항에 있어서, 상기 기상 공간은 상기 극저온부에서 사용되는 냉매보다도 비점이 낮은 기체를 충전하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 3 항에 있어서, 상기 양 플랜지 중, 한쪽 플랜지를 고정하고, 다른쪽 플랜지를 부싱의 열 수축에 연동하도록 이동 가능하게 구성한 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 4 항에 있어서, 상기 접속 단열부는 서로 구획된 내층부와 외층부의 2중 구조인 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 8 항에 있어서, 상기 내층부와 외층부는 모두 진공인 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 8 항에 있어서, 상기 내층부와 외층부 중 내층부에만 상기 극저온부에서 사용되는 냉매보다도 비점이 낮은 기체를 충전하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 10 항에 있어서, 상기 내층부의 기체 압력은 상기 극저온부의 냉매 압력과 실질적으로 동등한 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 1 항에 있어서, 상기 부싱은 상기 극저온부에서 상온부로 인출되는 도체부와, 상기 도체부의 외주를 따라 극저온부에서 상온부로 이어지는 외주 기상 공간을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 12 항에 있어서, 상기 외주 기상 공간은 극저온에서 액화하지 않는 기체를 충전시키는 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 13 항에 있어서, 상기 기체가 헬륨인 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 12 항에 있어서, 상기 외주 기상 공간은 진공인 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
극저온부에서 상온부로 인출되는 도체부를 갖는 극저온 기기의 단말 구조에 있어서,

상기 도체부는 상기 도체부의 외주를 따라 극저온부에서 상온부로 이어지는 외주 기상 공간을 갖는 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 16 항에 있어서, 상기 외주 기상 공간은 극저온에서 액화하지 않는 기체로 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 17 항에 있어서, 상기 기체가 헬륨인 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 16 항에 있어서, 상기 외주 기상 공간은 진공인 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.
제 16 항에 있어서, 상기 도체부는 중공 파이프와 상기 중공 파이프 내부에 상기 극저온부에서 상기 상온부로 이어지는 외주 기상 공간을 갖도록 삽입 통과되는 도전 리드를 구비한 것을 특징으로 하는 극저온 기기의 단말 구조.